KR20170103249A

KR20170103249A - 사물인터넷 환경에서 스몰 데이터 전송 단말의 지연시간, 에너지 소비 감소를 위한 향상된 데이터 전송 방법

Info

Publication number: KR20170103249A
Application number: KR1020160025783A
Authority: KR
Inventors: 이태진; 김윤민
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-13

Abstract

본 발명에서는 IoT 환경에서 Small Data 전송을 수행하는 단말의 동작을 효율화 할 수 있는 전송 프로토콜을 제공하였으며, 본 발명에서 제공하는 Small Data 전송방법을 통해 셀룰러 기반의IoT 시스템에서 Small Data를 전송하는 단말들의 지연시간 및 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.

Description

사물인터넷 환경에서 스몰 데이터 전송 단말의 지연시간, 에너지 소비 감소를 위한 향상된 데이터 전송 방법{Enhanced data transmission method for reducing delay time and energy consumption of terminal for transmitting small data in Internet-of-Things environment}

본 발명은 셀룰러 기반의 IoT 시스템에서 단말이 전송하는 데이터 크기에 따라 차별화된 데이터 전송 방법을 제공하는 기술에 관한 것으로 특히, 작은 크기의 데이터(Small Data) 를 전송하는 단말들의 지연시간 및 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.

미래 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 환경에서는 다양한 사물들이 무선통신을 통해 정보를 공유함으로써 상호 연결된 거대한 지능형 네트워크를 구성할 것으로 예상된다. 이러한 IoT 환경에서는 대규모의 단말들이 방대한 데이터를 생성하며, 서비스 제공을 위해 면허 대역에서의 넓은 커버리지를 바탕으로 신뢰성 있는 연결을 제공하는 셀룰러 기반의 IoT 시스템이 주목받고 있다.

셀룰러 기반의IoT 시스템에서는 저비용/저복잡도 특성을 가지는 단말들의 대규모 접속(Massive Connection) 수용, 네트워크 유지를 위한 저전력 및 단말 동작수명 향상, 커버리지 향상을 통한 서비스 지원 범위 확장 등이 요구된다. 또한, 셀룰러 기반의IoT 각각의 단말들은 작은 크기의 데이터(Small Data) 를 전송할 것이며, 낮은 전송률로 동작할 것으로 예상된다 .

현재 표준화가 진행중인 셀룰러 기반의IoT 시스템에서는 단말이 데이터 전송을 위해 동기화, 시스템 정보 수신, RACH(Random Access Channel) 수행, 자원 할당정보 수신, 데이터 전송, ACK 수신을 수행한다. 그러나 Small Data를 전송하는 단말은 작은 크기 데이터 전송을 위해 수신하는 메시지에 의한 지연시간 및 전력소비에 대한 오버헤드가 상대적으로 큰 문제가 있다. 특히 자원할당 정보를 알리기 위해 네트워크에서 전송되는 DCI(Downlink Control Information) 의 경우 각 단말의 Coverage Class에 따라 상대적으로 긴 시간동안 수신해야 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 셀룰러 기반의IoT 단말이 전송할 것으로 예상되는 데이터 특성에 따라 데이터 송수신과정을 간소화 하여 해당과정에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 기술을 연구한다.

본 발명에서는 셀룰러 기반의IoT 시스템에서 Small Data를 전송하는 단말들의 지연시간 및 에너지 소비를 감소시킬 수 있는 간소화된 데이터 전송방법을 제공한다.

본 발명에서 기지국은 Small Data 여부를 판단하는 기준을 시스템 정보 혹은 DCI에 포함하여 브로드캐스트 할 수 있으며, 사전에 기준을 정의하여 단말 스스로 판단할 수 있다. 또한, 기지국은 Small Data 단말을 위한 RACH와 일반 단말을 위한 RACH 채널을 따로 구성할 수 있으며, 상향/하향링크 전송을 위한 자원할당 정보를 포함하는 DCI를 전송한다. 각 단말은 일정 크기의 데이터를 전송하며, 전송할 데이터가 발생할 때까지 sleep 모드로 동작한다.

본 발명의 Small Data 전송지원 방법은 크게 단말의 Small Data 전송요청 과정과 Small Data 전송 과정으로 나뉜다. 단말은 처음 전원이 켜지고(Power on) 전송할 데이터를 생성하게 된다. 데이터 전송을 위해 단말은 먼저 기지국과 동기화를 수행하고, 시스템 정보를 수신한다. 시스템 정보 수신 후 단말은 시스템 정보 상에 나타난 정보 혹은 사전에 정의된 값과의 비교를 통해 Small Data 전송 가능여부를 판단할 수 있다. Small Data 전송이 가능한 경우 단말은 Small Data 전송 요청과정을 수행한다.

본 발명에서는 IoT 환경에서 Small Data 전송을 수행하는 단말의 동작을 효율화 할 수 있는 전송 프로토콜을 제공한다.

본 발명에서 제공하는 Small Data 전송방법을 통해 셀룰러 기반의IoT 시스템에서 Small Data를 전송하는 단말들의 지연시간 및 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Small Data 전송요청 및 전송 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하에서의 단말은 센서와 통신 기능을 내장해 사물 통신을 구현하기 위한 사물통신 단말을 포함한다. 예를 들어 사물통신 단말은 MTC(Machine Type Communication) 단말, NB-LTE(Narrow band LTE) 단말, NB-IoT(Narrow band IoT) 단말, CIoT(Cellular IoT) 단말을 포함할 수 있다.

NB-IoT(Narrow Band-IoT)의 경우 MTC의 1.4Mhz 대역폭보다 감소된 대역폭, 즉 상향링크 및 하향링크 모두 1.4Mhz 대역폭보다 감소된 대역폭-예를 들어 180kHz-을 사용하여 저속 데이터 레이트로 센서 중심의 응용에 적합한 IoT 서비스를 제공한다.

NB-IoT에서는 하향링크에서는 OFDMA를 사용하며, 매우 작은 서브캐리어 스페이싱, 예를 들어, 15kHz 서브캐리어 스페이싱 또는 3.75kHz 서브캐리어 스페이싱을 사용할 수 있다.

NB-IoT 상향링크에서는 GMSK 변조를 사용하는 FDMA 또는 SC-FDMA를 사용할 수 있다. NB-IoT 상향링크에서는 2.5kHz 서브캐리어 스페이싱을 사용할 수 있다.

NB-IoT 상향링크의 경우 서브캐리어 스페이스는 2.5kHz 또는 3.75kHz가 될 수 있다.NB-IoT 상향링크의 경우 SC-FDMA를 사용할 수 있으며, 이는 SC-FDMA의 특별한 경우로서 싱글-톤 전송(single tone transmission)을 포함하는 유연한 UE 대역폭 할당(bandwidth allocation)을 허용할 수 있다.

상향링크 SC-FDMA의 경우 다수의 co-scheduled UE를 시간 정렬(time-align)하여 기지국(eNB)에서의 도착시간 차이가 CP(cyclic prefix) 이내가 되도록 한다. 상향링크 SC-FDMA의 경우 셀 크기에 따라서 다른 CP(cyclic prefix)를 적용할 수 있다.

NB-IoT 상향링크의 경우 커버리지를 향상시키고 디바이스 복잡도와 비용을 줄이면서 높은 용량(capacity)을 달성하기 위하여 서브캐리어(subcarrier)를 타이트하게 패킹(tight packing)할 수 있다.

NB-IoT의 경우 기존 GSM의 200kHz 대역내에서 IoT 서비스를 지원하기 위하여 1 PRB를 12개의 서브캐리어로 나눠서 사용하되 기존 대역폭을 1/6 정도 줄이는 대신 시간 영역으로는 6배 늘려서(6:1 time stretch) 사용할 수 있다.

RACH(Random Access Channel, 랜덤 액세스)는 단말의 기지국의 연결 및 데이터 송신을 위하여 단말이 임의의 시간에 기지국에 전송하는 일종의 데이터 요구신호로서, 모든 단말에서 시작되는 통신의 시작 역할을 하게 되므로 20dB 이상의 커버리지가 확대된 매우 멀리 떨어진 단말에서 송신되는 RACH 신호를 기지국이 성공적으로 수신할 수 있고 이에 대한 응답신호를 역시 장거리의 해당 단말에 성공적으로 보낼 수 있는 방법이 요구된다.

NB-IoT의 SC-FDMA 기반 상향링크 설계시, NB-IoT 의 감소된 대역폭으로 인하여 LTE 랜덤 액세스 절차를 수행하기 위하여, PRACH 설계에 수정이 필요하고, 이러한 수정은 LTE 랜덤 액세스 절차의 일부에 영향을 미칠 수 있다.

LTE 랜덤 액세스는 무선 링크를 설정할 때의 초기 액세스, 스케쥴링 요청(scheduling request)과 같은 여러 목적으로 사용되며, 랜덤 액세스의 주된 목적은 상향링크 동기화를 달성하는 것이다. 랜덤 액세스는 경쟁 기반 랜덤 액세스(contention-based random access) 또는 비경쟁 랜덤 액세스(contention-free random access)가 될 수 있다.

NB-IoT의 경우 복수의 커버리지 등급(coverage class)을 가질 수 있으며, 상기 커버리지 등급은 예를 들어 기본 커버리지(basic coverage, 144dB MCL), 로버스트 커버리지(robust coverage, 154dB MCL), 극한 커버리지(extreme coverage, 164dB MCL)의 3가지로 구분될 수 있다.

NB-PRACH 상향링크 전송은 극한 커버리지 환경에서 성능을 보장이 가능하고 단말의 저전력, 저복잡도를 제공할 수 있는 단일-톤(single-tone) 전송과 함께 주파수 호핑으로 이루어질 수 있다.

상기 단일-톤(single-tone) 전송을 위해 NB-PRACH는 3.75khz의 서브캐리어 스페이싱을 사용하며, 이를 통해 15khz 대비 더 많은 프리앰블(preamble) 및 극한 커버리지 환경에서 향상된 성능을 제공하여 최대 40km 셀 크기를 지원할 수 있다.

또한, NB-PRACH는 서로 다른 셀 크기를 지원하기 위하여 2개의 CP(Cyclic prefix) 길이가 제공될 수 있다.

NB-PRACH 반복 전송(repetition transmission)은 상이한 커버리지 등급에 속하는 NB-IoT 단말들을 지원하기 위한 NB-PRACH 자원을 구성하는 방법이다. 단말들은 커버리지 등급에 따라 적절한 반복 전송을 갖는 NB-PRACH를 선택하여 동작할 수 있다.

상기 NB-PRACH 반복전송은 소정의 세트 {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128}에서 미리 정해진 횟수만큼 제공될 수 있으며, eNB는 3개의 커버리지 등급을 고려하여 상기 소정의 세트로부터 최대 3 종류의 NB-PRACH 반복전송을 하도록 구성할 수 있다.

NB-PRACH의 Power ramping 관련하여, 셀에서 한번 이상의 반복 레벨이 구성되면, 커버리지 등급이 높은 가장 낮은 반복 레벨을 제외하고 단말은 NB-PRACH에서 최대 파워로 전송하며, 그 외의 경우는 단말은 power ramping을 사용하여 NB-PRACH를 전송하여 저전력 동작을 구현할 수 있다.

NB-IoT 단말은 랜덤 액세스 과정에서 RAR 수신 후 Msg3 전송 뒤 Msg4 수신에 실패할 수 있다. 이때 단말은 Msg3를 반복적으로 재전송하며 특정 횟수동안 연속적인 Msg4 수신을 실패하면 커버리지 등급이 불일치함을 판단하고 커버리지 등급을 변경한다. 상기 커버리지 등급을 변경하기 전까지의 재전송횟수는 NB-PDCCH내의 DCI(Downlink Control Information)에서 지시할 수 있다.

도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 Small Data 전송요청 과정이 나타나있다. 단말은 랜덤접속을 수행하기 위해 RA(Random Access) Request메시지를 전송하며, 이 과정에서 수정된 RA Request의 Type 혹은 Access Cause를 ‘Small Data 요청’으로 표시하여 전송한다. 기지국은 이를 수신한 뒤 RA Response를 전송할 자원을 알리기 위해 DCI를 전송한다. 또한, 기지국은 해당 단말에게 Small Data 전송을 위한 자원할당이 가능한지 여부를 판단한다. Small Data 지원 가능여부는 요청을 받은 시점에서 Small Data를 위한 RACH자원의 혼잡도를 통해 결정될 수 있다. 기지국은 해당 단말에게 Small Data 전송지원을 할 수 있는 경우 C-RNTI 대신 새로 정의된 SD-RNTI(Small Data Radio Network Temporary Identifier)를 할당하여 RA Response 메시지를 전송한다.

SD-RNTI를 할당받은 단말은 이후부터 본 발명의 Small Data 전송과정을 통해 효율적인 데이터 전송을 수행할 수 있다. Small Data 전송을 위해 단말은 RACH 수행시 전송하는 메시지에 SD-RNTI 와 함께 데이터를 포함하여 전송한다. RA Request를 통해 데이터를 수신한 기지국은 이어지는DCI를 통해 해당 단말로 ACK를 송신할 수 있다. 이를통해 기존의 RACH 과정수행 및 DCI 수신을 통한 자원 획득 후 상향링크 데이터를 전송하고 다시 DCI를 수신하기 까지의 전송 지연시간 및 전력소비를 줄일 수 있다. 이 과정은 단말이 SD-RNTI를 더 이상 유지할 수 없을 때까지 진행할 수 있으며, SD-RNTI가 만료되는 기준은 단말의 전송횟수, 전송량(비트), 할당시간 등으로 네트워크에서 사전에 정의될 수 있다.

Claims

셀룰러 기반의 IoT 시스템에서 Small Data를 전송하는 단말들의 지연시간 및 에너지 소비를 감소시킬 수 있는 간소화된 데이터 전송방법.