KR20190006786A - 무선 통신 시스템에서 미리 정의된 식별자와 부호화된 비-직교 다중화방식을 이용하여 제어 신호를 전송하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

사전에 지정한 식별자와 부호화된 비-직교 다중화방식을 이용하여 무선통신 시스템 제어 신호를 전송하는 방법 및 장치가 개시된다.

Description

무선 통신 시스템에서 미리 정의된 식별자와 부호화된 비-직교 다중화방식을 이용하여 제어 신호를 전송하는 방법 및 장치{METHOD FOR TRANSMITTING CONTROL SIGNAL USING PREDEFINED IDENTIFIER AND ENCODED NON-ORTHOGONAL MULTIPLEXING SCHEME IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM AND APPARATUS FOR THE SAME}

본 발명은 무선 통신 시스템 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사전에 지정한 식별자와 부호화된 비-직교 다중화방식을 이용하여 무선통신 시스템 제어 신호를 전송하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래 셀룰러 네트워크의 상향 링크는 "직교 전송"을 기본으로 구성되어 왔다. 직교 전송이란 시간, 주파수 혹은 코드 상으로 단말간의 자원이 겹치지 않아 신호는 간섭을 주거나 받지 않는 것을 뜻한다. 따라서 기지국은 각자 독립된 자원을 사용하는 단말의 상향전송 신호를 수신하여 하나의 단말이 송신한 user의 신호를 다른 user의 신호의 간섭 없이 복조 하는 것을 말한다.

즉, 종래의 셀룰러 시스템에서 상향링크의 다중화 방식은 단말간에 직교성이 보장된 상향링크전송이 이루어지기 위해 주어진 상향링크의 자원을 가지고 user간의 신호가 서로 간섭없이 전송되는 orthogonal spreading sequence 또는 OFDMA와 같은 기법을 적용하여 간섭없이 공유할 수 있었다.

그러나 기존의 직교 다중화 방식은 공간 다중화 방식이 아닌 이상 직교성을 보장하기 위해 user의 수가 자원의 수만큼 제한되었다. 또한, 직교성을 위해 정해진 orthogonal spreading sequence나 codebook을 사용해야 하는 등 전송 시 다중화에 적용되는 변조 신호처리 기법이 제한적이었다. 그리고 제어 채널(control channel)을 상향 채널로 전송하는 경우는 일반적으로 데이터의 양이 많지 않고 전송 신호의 수신 에러율을 낮추는 것에 focus가 되어 있어서, 전송 신호의 coverage와 신뢰도를 우선적으로 고려한 전송 신호 설계를 한다. 따라서 다중 입력 다중 출력(multi-input multi-output)과 같이 다중 안테나로 공간 확장을 통해 제어 채널을 사용하는 상향 링크의 user수를 높이는 기법은 실제 거의 고려가 되지 않는다. 즉, 제어 채널의 수신 안정성과 더불어서 직교 다중화를 적용해야 하기 때문에 수용할 수 있는 상향 user의 수가 제한적이다.

따라서, 제어 채널의 수신 신호 안정성이 높으면서 동시에 용량을 높이는 문제에 대한 해답이 제한적이기에 직교 다중화의 한계가 나타난다. 그러나 용량 증대와 커버리지 문제를 동시에 해결하기 위해 비-직교 다중화 방식으로 제어 채널을 전송하는 기법은 현재까지 제시가 되지 않은 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 비-직교 다중화를 위한 단말의 고유한 ID를 바탕으로 채널 부호화를 적용하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은 동일한 상향 링크 자원을 사용하는 단말들이 고유한 ID를 가지고 complex symbol scrambler 기반의 비-직교 다중화 방식으로 제어 채널 신호를 변조(signature를 입히는) 하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 사전에 지정한 식별자와 부호화된 비-직교 다중화방식을 이용하여 무선통신 시스템 제어 신호를 전송하는 방법 및 장치를 포함한다.

본 발명의 구성에 따르면 무선 통신 시스템의 상향 링크 용량 증대의 효과가 있다.

도 1은 Single carrier 및 OFDM waveform 기반 Schedule request only 상향 링크 송신단 구조의 개념도이다.
도 2는 channel coding block의 process 과정의 개념도이다.
도 3은 codeword bit sequence가 spreading 및 complex scrambling과정을 적용 후 OFDM symbol로 mapping 되는 과정의 개념도이다.
도 4는 Single carrier 및 OFDM waveform 기반 제어 정보 채널 상향 링크 송신단 구조의 개념도이다.
도 5는 CRC 입/출력 구조의 개념도이다.
도 6은 codeword bit sequence가 spreading 및 complex scrambling과정을 적용 후 OFDM symbol로 mapping 되는 과정의 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명은 무선 이동통신 시스템의 물리계층의 다중화 기법에 속한다. 기존 무선전송 시스템은 일반적으로 면허대역에서 단말이 상향링크 전송을 하는 경우 기지국의 제어에 의해 타 단말과의 간섭을 발생시키지 않게 하여 단말간 직교한 전송이 보장되는 형태로 상향 링크가 시스템으로 구성되었다. 하지만 본 발명은 기지국의 제어 없이 단말이 스스로 상향링크를 전송하는 시점을 결정하여 전송하는 방식임으로 단말간의 직교성이 보장되지 않는 비-직교 상향링크 전송방법이다. 단, 비-직교성 상향링크 전송을 할 때 기지국에서 신호를 수신하여 구별하는 방법 또한 포함한다.

Centralized scheduling 방식의 셀룰러 시스템의 경우, 단말이 우선 기지국에 등록하고 셀 네트워크 식별자 정보 cell radio network temporary identifier (C-RNTI)를 받아야 한다. 임시 단말 식별자는 예를 들어 C-RNTI와 같은 n개의 bit 정보로 이루어진 cell radio network temporary identifier (C-RNTI)를 받을 수 있다. 이 식별자를 통해 단말과 기지국은 bi-directional한 통신을 하게 된다.

또한, Centralized scheduling 방식의 셀룰러 시스템의 경우, 단말은 식별자를 획득하였어도 일반적으로 상향 링크를 통해 전송하고자 하는 데이터를 단말 스스로 결정하여 원하는 주파수/시간에 전송하지 않는다. 즉, 반드시 기지국의 grant를 받아야 비로소 단말은 신호 전송할 수 있게 된다.

따라서 ①단말이 schedule request (SR)를 먼저 기지국으로 전송한 뒤에 ②기지국이 grant를 부여한 후 ③단말이 기지국이 지정한 주파수/시간 상향 링크 자원에 buffer status report(BSR)을 전송하면 ④다시 기지국에서 grant가 내려와서 ⑤단말이 실제 전송하려는 데이터를 전송할 수 있다. 일반적으로 상기의 5 step을 거쳐 상향링크를 전송한다.

여기서 schedule request는 단말이 먼저 initiate를 하지만, 모든 시간/주파수에 관계없이 전송할 수 있는 것은 아니고, 사전에 기지국이 정한 상향 링크 시간/주파수 자원에만 신호 전송이 가능하다. 그래서 기지국은 단말이 schedule request를 하였는지 지속적으로 monitoring하고 있어야 하며, 단말이 전송하지 않았는데 검출되었다고 오류를 발생시키는 false alarm이 일어나지 않도록 판단을 잘 해야 하며 반대로 단말이 SR을 요청하였는데 기지국이 신호를 miss하지 않게 동작하는 것이 바람직하다.

1. Schedule request를 전송하고자 식별자 정보만 제어 채널을 통해 전송하고자 하는 경우

도 1은 Single carrier 및 OFDM waveform 기반 Schedule request only 상향 링크 송신단 구조의 개념도이고, 도 2는 channel coding block의 process 과정의 개념도이다. 또한, 도 3은 codeword bit sequence가 spreading 및 complex scrambling과정을 적용 후 OFDM symbol로 mapping 되는 과정의 개념도이다.

도 1 내지 3을 참조하면, 단말이 상향 링크로 SR만을 전송하는 경우 전송 구조를 제시한다. 또한, 기지국에서 SR신호의 검출 오류 및 false alarm의 확률을 낮추기 위해, 본 발명에서는 도 1과 같이 송신단을 구성한다.

먼저, user는 별도로 생성하는 bit 정보가 있는 것이 아닌 자신이 기지국에서 할당 받은 ID를 활용하여 Gold sequence를 전송하는 것으로 scheduling request (SR)에 관한 bit-level 에서의 신호가 미리 결정된다. Gold sequence는 기지국과 단말이 서로 알고 있는 부분적인 bit sequence가 되며, 길이와 생성 방법은 시스템 설정에 의해 결정된다. 단 Gold sequence를 생성할 때 단말의 ID (RNTI)와 관련되어 있고, channel coding 출력 bit sequence가 Gold sequence의 일부분이라는 것이 포인트다. 먼저, RNTI는 channel coding block 내부의 Gold sequence generator의 shift register 초기화 값으로 입력되며, 그 후 low channel code rate을 가지는 Polar code channel encoder로 입력된다. 도 1의 channel coding block은 다음과 같이 이루어져 있다.

1-1. Channel coding 적용

도 1에서 channel coding block은 크게 Gold sequence를 생성하는 block과 Polar code encoder로 구성되어 있다. Channel coding block의 최종 출력은 truncated 또는 partial Gold sequence (TPGS)가 된다. 반면 이 TPGS는 channel encoder를 거쳐 나온 codeword이기도 하다. 따라서 결론적으로 Polar encoder의 출력이 truncated 또는 partial Gold sequence (TPGS)가 되는 것이 목표이자 동시에 역으로 Polar encoder의 입력 bit sequence를 찾아내는 것이 목표이다. Polar encoder의 입력 bit sequence는 RNTI를 부여한 기지국 수신단에서 미리 알고 있다.

특정한 조합의 bit sequence 입력이면 Polar encoder의 출력이 TPGS 가 되는데, 하기의 수학식 1을 통해 원하는 TPGS를 설정해 놓으면 입력 bit sequence

를 찾을 수 있다. TPGS는 수학식 1을 통해 구할 수 있다.

다음의 예시에서 n-bit (예를 들어 16bit) 식별자 정보(RNTI_UE)는 먼저 Gold sequence의 seed 값으로 사용되며, 수학식 1과 같이 정리될 수 있다.

여기서

의 초기 shift register 값은

으로 되고,

의 초기 shift register 값은

으로 결정된다. 또한

는 임 임의의 긴 수가 될 수 있으며 TPGS의 bit sequence c 범위는

의 구간이 되며 길이는 기본적으로 2의 배수가 (i.e. 2, 4, 8, 16, 32, ... ,2^N) 되거나, 임의의 길이가 될 수 있다. 상기의 길이

에 해당하는 Gold sequence c를 가지고

를 찾는 방법은 다음의 수학식 2와 같다.

여기서

행렬

는 Polar code encoder에 해당하며

는

의 역행렬(inverse matrix)이다. 또한

는 이진수 연산에서

과 같다. 따라서 TPGS를 선택하였으면 입력 bit sequence

가 결정된다.

도 2의 예시와 같이 channel coding block에서 출력된 TPGS는 단말에서 송신되며, 수신단은 TPGS의 일부분을 known과 unknown으로 구분하여 수신하게 된다. 기지국 수신단이 SR에 해당하는 codeword bit sequence를 알고 있지만, 길이 R을 가지는 codeword는 수신단에서

bit 만큼 unknown이라고 가정하고 Polar code decoding을 수행하며, 만일 decoding이 성공하면 단말이 SR을 전송한 것으로 간주한다.

1-2. Channel coding 적용

도 1에서 bit level spreading은 channel coding block의 출력을 spreading하는 작업을 한다. Spreading factor

는 시스템에 따라 결정되며, 수학식 3과 같이 TPGS bit sequence c 는 우선 BPSK modulation을 수학식 3과 같이 적용하여 binary 부호 대신 극성이 있는 symbol로 변조되고, 그 다음 +와 -극성이 반복되는 형태로 spreading이 적용된다.

여기서

는 변조 함수를 뜻하며,

은 변조된 symbol당 bit 수,

는 길이

를 가지는 spreading sequence를 뜻한다. 그 다음 복소수 (complex) scrambling을 거친다. Complex scrambling은 수학식 1의 Gold sequence를 이용하여 다음의 수학식 4와 같이 생성된다.

여기서

는 m-sequence를 생성하는 shift register

와

의 길이가 된다. 즉, 수학식 1 예시의 Gold sequence가 적용된 경우,

는

가 된다. 그 다음 복소수 (complex) scrambling을 거치면 최종적인 symbol 형태로 waveform 변조 직전의 단계로 수학식 5와 같이 접어든다.

최종적으로는 single carrier 또는 orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 형태로 변조되어 도 3과 같이 무선 채널로 전송된다.

본 발명은 비-직교 전송을 하기 위해 단말 별로 고유한 식별자 (identification) 를 부여한다. 각 상향링크를 통해 전송되는 단말의 신호는 서로 직교하지 않는다는 특징이 있으며, 수학식 3과 4에서 설명된 spreading과 complex scrambling으로 기지국 수신단에서 신호가 분리된다.

상기의 부호화된 SR 상향 전송 신호는 기지국 수신단에서 Polar channel code를 사용하여 신호를 복조할 수 있지만, 경우에 따라서는 Gold sequence의 상관값을 취하여 SR 신호를 전송 유무를 검출할 수 있다.

2. 제어 정보를 제어 채널을 통해 전송하고자 하는 경우 전송 구성

도 4는 Single carrier 및 OFDM waveform 기반 제어 정보 채널 상향 링크 송신단 구조의 개념도이고, 도 5는 CRC 입/출력 구조의 개념도이다. 또한, 도 6은 codeword bit sequence가 spreading 및 complex scrambling과정을 적용 후 OFDM symbol로 mapping 되는 과정의 개념도이다.

도 4 내지 6을 참조하면, n-bit (e.g. 16bit) 식별자 정보는 단말이 전송하고자 하는 제어 정보 bit 신호 sequence, Polar channel code encoder, CRC 출력 그리고 zero padding이 연접하여 도 5와 같이 frozen bit 정보 부분으로 구성된다.

또한 ID는 complex scrambling을 적용할 때, 적용되는 Gold sequence의 seed 값의 parameter로 사용된다. 도 4는 k개의 user가 상향링크로 상향 제어 정보 신호를 전송하는 경우, 각 단말의 송신단 구성을 나타낸다.

단말 user는 도 5와 같이 별도로 생성하는 bit 정보와 자신이 기지국에서 할당받은 ID를 연접하여 CRC를 생성하고 또 연접하여 bit sequence를 전송하는 것으로 scheduling request에 관한 bit-level 에서의 신호가 완성된다. 단말이 생성하는 bit 정보는 SR과 buffer status report (BSR)과 ACK 또는 NACK과 같은 정보가 전송될 수 있다. BSR을 물리 채널에 직접 전송하여 상향 링크 전송의 5 step을 3 step으로 줄이는 효과를 가져다줄 수 있다. 즉, ① 단말이 SR과 BSR을 먼저 기지국으로 전송한 뒤에 ② 기지국이 grant를 부여한 후 ③ 단말이 기지국이 지정한 주파수/시간 상향 링크 자원 실제 전송하려는 데이터를 전송할 수 있다.

2-1. Channel coding 적용

n-bit (예를 들어 16bit) 식별자 정보는 도 4와 같이 단말이 전송하고자 하는 제어 정보 bit 신호 sequence와 함께 Polar channel code encoder의 입력이 되어 complex scrambling을 적용받는다. 도 4은 k개의 user가 상향 링크로 신호를 전송하는 경우, 각 단말의 송신단 구성을 나타낸다.

Channel coding block은 CRC를 생성하는 block과 Polar channel coding을 적용하는 encoder로 구성이 되어 있다. 우선 CRC에 입력되는 binary bit sequence는 단말의 ID에 해당하는 binary bit sequence와 단말이 제어와 관련되어 생성한 bit sequence가 입력된다. 아래 도 5와 같이 ID와 제어 정보가 concatenate된 binary bit sequence가 CRC 생성기에 입력되고 출력은 CRC bit sequence가 입력 binary bit sequence와 concatenate되어서 출력된다.

CRC의 입력 및 출력 bit의 길이는 시스템에 따라 다르므로 구체적으로 길이의 제한을 두지 않는다. CRC 출력 bit sequence는 Polar code channel encoder로 입력된다. 단, 제어 정보 bit에 해당하는 부분은 figure 5와 같이 실제 전송에는 제외된다. 제어 정보가 실제 상향 링크 전송으로 보내지지 않게 되더라도, 수신단은 미리 알고 있는 (1) 단말의 ID정보와 (2) 제어 정보 bit sequence의 경우의 수 (e.g. 5bit인 경우, 32가지 case: 00000, 00001, 00010, 01010, etc.) 그리고 (3) 미리 알려진 제어 정보에 입력됨에 따른 미리 알려진 CRC check bit sequence를 통해 수신단은 information bit의 bit sequence를 추정할 수 있다.

도 6의 예시에서 설명된 바와 같이 실제 송신단에서의 신호 전송은 information bit을 전송하지 않는다. CRC 정보가 information bit 이 입력된 내용에 따라 달라지기 때문에 기지국 수신단은 information bit size가 5bit인 경우

가지의 CRC 출력 case를 따져서 Polar code decoding으로 matching하면 되는 특징이 있다.

Polar encoder로 입력되는 bit sequence는 입력 bit sequence의 길이에 따라 encoder에서 요구되는 zero padding이 수반될 수 있다. 즉, Polar code는 입력 bit sequence가 최종적으로 출력되고자 하는 bit sequence 길이와 일치해야 하기 때문에 CRC 출력 bit sequence의 앞 부분과 뒷부분에 zero padding을 도 6과 같이 한다.

본 발명의 구성에 따르면 상향 또는 하향 제어 채널을 전송할 때, 비-직교 방식을 적용하여 보다 더 많은 사용자의 다중화가 가능하여 상향 링크 용량 증대가 가능하다. 기존의 수신단에서 에너지 레벨의 고-저차를 가지고 판별하던 scheduling request의 한계를, 채널 코딩을 적용하여 message화 하였기 때문에 신뢰성도 높일 수 있다. 또한 부호화된 SR 상향 전송 신호는 기지국 수신단에서 Polar channel code를 사용하여 신호를 복조할 수 있지만, 경우에 따라서는 Gold sequence의 상관값을 취하여 SR 신호를 전송 유무를 검출할 수 있기 때문에 수신단의 복잡도를 줄이는 설계가 가능하다. 그리고 무엇보다 5세대 통신의 좋은 요소 기술이 될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 사전에 지정한 식별자와 부호화된 비-직교 다중화방식을 이용하여 무선통신 시스템 제어 신호를 전송하는 방법 및 장치.

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