KR20230004252A - 통신 시스템에서 상향링크 데이터 전송 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

통신 시스템에서 단말의 데이터 전송 방법 및 장치가 개시된다, 통신 시스템에서 제1 단말의 동작 방법은, 기지국으로부터 랜덤 액세스 절차를 위한 무선 자원의 설정 정보를 수신하는 단계, 상기 설정 정보에 기초하여 제1 슬롯과 주파수 자원을 획득하는 단계, 및 상기 제1 슬롯에서 상기 주파수를 사용하여 제1 RA 프리앰블을 전송하고, 상기 제1 슬롯 직후의 하나 또는 복수의 슬롯에서 상기 주파수를 이용하여 제1 RA 페이로드를 전송하는 단계를 포함하고, 상기 제1 RA 프리앰블은 상기 제1 단말의 제2 RA 페이로드 또는 상기 제1 단말이 아닌 제2 단말의 제3 RA 페이로드와 동일한 시간/주파수 자원에서 전송되는 것을 특징으로 한다.

Description

통신 시스템에서 상향링크 데이터 전송 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR UPLINK DATA TRANSMISSION IN COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 데이터 전송을 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통신 시스템에서 단말의 상향링크 데이터 전송 방법 및 장치에 관한 것이다.

5 세대 통신 시스템은 기존 4 세대 통신 시스템과 달리 다양화된 성능요구 조건을 가진 시나리오들을 지원할 수 있다. 5 세대 통신 시스템의 요구사항은 낮은 지연 시간 및 높은 전송 신뢰도를 요구하는 URLCC(Ultra Reliable Low Latency Communication)와 IoT(Internet of Thing) 단말과 같이 대규모 접속을 지원하는 mMTC(massive Machine Type Communication) 등을 포함할 수 있다.

상향링크로 단말이 기지국과 초기 접속을 위한 과정에서 단말과 기지국간 RACH Process에 소모되는 자원과 시간을 절약하기 위해서 5G 시스템에서는 2 step Random access 과정을 규격화 했다. 이 방법은 하나의 slot에 서로 다른 단말이 Preamble 전송 후 단말별 data packet을 다른 slot, 다른 주파수에 할당해서 전송하는 방법으로 기존 4 step random access process보다 처리 시간은 줄일 수 있지만 data packet을 단말간 서로 다른 시간, 주파수 자원에 할당하여 자원의 효율적 사용에는 한계가 있다.

또한 5G 시스템에서는 1개의 기지국내 많은 단말을 연결하는 mMTC 기술을 요구하고 있으며 이는 많은 수의 단말이 기지국과 빠른 연결 및 효율적인 자원 활용이 필요하다.

본 발명은 Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나 환경의 기지국에서 기지국과 단말간 Random access 과정에서 사용되는 2 step random access 과정에 하나의 slot, 주파수 자원에 Preamble과 data packet을 보내는 서로 다른 단말이 공존할 수 있게 하여 시간, 주파수 자원의 효율성을 극대화하는 방법을 제시한다. 또한 mMTC 단말의 서비스 요구사항에 따라 1개의 preamble 이후에 전송되는 data packet의 길이를 다양하게 변경하여 random access 환경에서 단말과 기지국간 Processing 단계를 최소화할 수 있게 하는 방법을 제시한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 단말의 동작 방법은, 기지국으로부터 랜덤 액세스 절차를 위한 무선 자원의 설정 정보를 수신하는 단계, 상기 설정 정보에 기초하여 제1 슬롯과 주파수 자원을 획득하는 단계, 및 상기 제1 슬롯에서 상기 주파수를 사용하여 제1 RA 프리앰블을 전송하고, 상기 제1 슬롯 직후의 하나 또는 복수의 슬롯에서 상기 주파수를 이용하여 제1 RA 페이로드를 전송하는 단계를 포함하고, 상기 제1 RA 프리앰블은 상기 제1 단말의 제2 RA 페이로드 또는 상기 제1 단말이 아닌 제2 단말의 제3 RA 페이로드와 동일한 시간/주파수 자원에서 전송되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단말은 주파수 자원과 시간 자원을 공유하는 2단계 랜덤 액세스 절차(random access procedure) 및 방법을 통해 최적화된 방법으로 데이터를 전송할 수 있다. 여기서, 기지국은 Massive MIMO를 적용하여 다수의 단말로부터 주파수와 시간 자원을 공유하는 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법으로 전송되는 프리앰블과 데이터를 수신할 수 있고, 상기 단말로부터 수신한 프리앰블에 기초하여 상기 단말로부터 수신한 데이터를 복조(decoding)할 수 있다.

또한 동일한 시간, 주파수 자원에서 서로 다른 단말의 Preamble을 수신하고 채널 추정을 하며 다른 단말의 이전 시간자원에서 검출한 preamble의 채널 추정값으로 Data packet을 복조 할 수 있다.

하나의 시간, 주파수 자원에 전송되는 Preamble index에 따라 해당 preamble을 전송하는 단말의 payload 길이가 다르게 설정될 수 있거나 또는 다른 주파수 자원에 전송되는 Preamble에 따라 data payload의 길이가 다르게 설정될 수 있다.

이는 한정된 Preamble index 자원 및 시간, 주파수 자원의 효율성을 극대화하여 하나의 셀 내에 많은 수의 단말을 효율적으로 관리하는데 효과적이다.

도 1은 통신 시스템의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 5 세대 통신 시스템에서 4단계 랜덤 액세스 절차의 일 실시예를 도시한 순서도이다.
도 4은 5 세대 통신 시스템에서 2단계 랜덤 액세스 절차의 일 실시예를 도시한 순서도이다.
도 5는 5 세대 통신 시스템의 2단계 랜덤 액세스 절차에서 프리앰블과 데이터 자원 할당의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 자원 할당의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 자원 할당의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
도 8은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 9는 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 기지국 수신 장치(900)의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 10은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 기지국 수신 장치의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 11은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원 분리의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 12는 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원 공유의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 13a는 T=L=D=30, B=1일 때

에 따른 검출된 데이터(패킷)의 평균 값(

)을 도시한 개념도이다.
도 13b은 T=L=D=30, B=1일 때 타임 슬롯에 따른 채널 추정 에러 분산 결과를 도시한 개념도이다.
도 14a는 T=L=D=30, B=5일 때

에 따른 검출된 데이터(패킷)의 평균 값(

)을 도시한 개념도이다.
도 14b은 T=L=D=30, B=5일 때 타임 슬롯에 따른 채널 추정 에러 분산 결과를 도시한 개념도이다.
도 15는 T=L=D=30, B=1일 때

에 따른 무선 접속 처리량(Throughput)과 임계 값(Upper bound)을 도시한 개념도이다.
도 16은 T=L=D=30, B=1,4,5일 때

에 따른 무선 접속 처리량(Throughput)과 임계 값(Upper bound)을 도시한 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 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 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템(communication system)이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 아래 설명된 내용에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 통신 시스템에 적용될 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 통신 네트워크(network)와 동일한 의미로 사용될 수 있다.

도 1은 통신 시스템의 일 실시예를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 또한, 통신 시스템(100)은 코어 네트워크(core network)(예를 들어, S-GW(serving-gateway), P-GW(PDN(packet data network)-gateway), MME(mobility management entity))를 더 포함할 수 있다. 통신 시스템(100)이 5G 통신 시스템(예를 들어, NR(new radio) 시스템)인 경우, 코어 네트워크는 AMF(access and mobility management function), UPF(user plane function), SMF(session management function) 등을 포함할 수 있다.

복수의 통신 노드들(110 내지 130)은 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 통신 프로토콜(예를 들어, LTE 통신 프로토콜, LTE-A 통신 프로토콜, NR 통신 프로토콜 등)을 지원할 수 있다. 복수의 통신 노드들(110 내지 130)은 CDMA(code division multiple access) 기술, WCDMA(wideband CDMA) 기술, TDMA(time division multiple access) 기술, FDMA(frequency division multiple access) 기술, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기술, Filtered OFDM 기술, CP(cyclic prefix)-OFDM 기술, DFT-s-OFDM(discrete Fourier transform-spread-OFDM) 기술, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 기술, SC(single carrier)-FDMA 기술, NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 기술, GFDM(generalized frequency division multiplexing) 기술, FBMC(filter bank multi-carrier) 기술, UFMC(universal filtered multi-carrier) 기술, SDMA(Space Division Multiple Access) 기술 등을 지원할 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.

도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

다만, 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성요소들은 공통 버스(270)가 아니라, 프로세서(210)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 메모리(220), 송수신 장치(230), 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250) 및 저장 장치(260)중에서 적어도 하나와 전용 인터페이스를 통하여 연결될 수도 있다.

프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 기지국들(base stations)(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 매크로 셀(macro cell)을 형성할 수 있다. 제4 기지국(120-1) 및 제5 기지국(120-2) 각각은 스몰 셀(small cell)을 형성할 수 있다. 제1 기지국(110-1)의 셀 커버리지(cell coverage) 내에 제4 기지국(120-1), 제3 단말(130-3) 및 제4 단말(130-4)이 속할 수 있다. 제2 기지국(110-2)의 셀 커버리지 내에 제2 단말(130-2), 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)이 속할 수 있다. 제3 기지국(110-3)의 셀 커버리지 내에 제5 기지국(120-2), 제4 단말(130-4), 제5 단말(130-5) 및 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다. 제4 기지국(120-1)의 셀 커버리지 내에 제1 단말(130-1)이 속할 수 있다. 제5 기지국(120-2)의 셀 커버리지 내에 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다.

여기서, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 NB(NodeB), eNB(evolved NodeB), gNB, ABS(advanced base station), HR-BS(high reliability-base station), BTS(base transceiver station), 무선 기지국(radio base station), 무선 트랜시버(radio transceiver), 액세스 포인트(access point), 액세스 노드(node), RAS(radio access station), MMR-BS(mobile multihop relay-base station), RS(relay station), ARS(advanced relay station), HR-RS(high reliability-relay station), HNB(home NodeB), HeNB(home eNodeB), RSU(road side unit), RRH(radio remote head), TP(transmission point), TRP(transmission and reception point) 등으로 지칭될 수 있다.

5 세대 NR 시스템에서 단말은 기지국에 접속하여 RRC(Radio Resource Control) 연결 설정을 하기 위해 4단계 랜덤 액세스 절차 또는 2단계 랜덤 액세스 절차를 수행할 수 있다. 4단계 랜덤 액세스 절차를 다음과 같이 수행할 수 있다.

도 3은 5 세대 통신 시스템에서 4단계 랜덤 액세스 절차의 일 실시예를 도시한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 통신 시스템은 단말과 기지국을 포함할 수 있다. 기지국은 도 1에 도시된 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1 120-2)일 수 있고, 단말은 도 1에 도시된 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-5, 130-6)일 수 있다. 기지국 및 단말은 도 2에 도시된 통신 노드와 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다. 랜덤 액세스 절차는 다음과 같이 4단계로 수행할 수 있다.

기지국은 랜덤 액세스 절차를 위한 무선 자원(예를 들어, 상향링크 무선 자원)의 설정 정보를 시스템 정보 및/또는 제어 메시지를 단말에 전송할 수 있다(S301). 단말은 기지국으로부터 시스템 정보 및/또는 제어 메시지를 수신함으로써 랜덤 액세스 절차를 위한 무선 자원의 설정 정보를 획득할 수 있다. 시스템 정보는 복수의 기지국들에게 사용되는 공통 시스템 정보 또는 기지국 특정 시스템 정보(예를 들어, 셀 특정 시스템 정보)일 수 있다. 제어 메시지는 전용 제어 메시지일 있다. 여기서, 전용 제어 메시지는 RRC 연결 설정을 위한 제어 메시지, RRC 연결 해제를 위한 제어 메시지, 또는 RRC 상태 천이 제어 메시지(예를 들어, 인액티브 상태로의 천이 제어 메시지)일 수 있다.

단말은 기지국에 의해 설정된 무선 자원(예를 들어, PRACH(physical random access channel))을 사용하여 RA 프리앰블을 포함하는 MSG1을 기지국으로 전송할 수 있다(S310). 4단계 랜덤 액세스 절차에서 RA 프리앰블을 포함하는 메시지 1은 "MSG1"로 지칭될 수 있고, 4단계 랜덤 액세스 절차에서 RA 프리앰블은 "4단계-RA 프리앰블"로 지칭될 수 있다.

단말은 랜덤 액세스 절차를 위해 정의된 코드 시퀀스(code sequence)(예를 들어, 프리앰블, 시그니처(signature))를 랜덤하게 선택할 수 있고, 선택된 코드 시퀀스를 포함하는 MSG1을 전송할 수 있다. 경쟁 기반 랜덤 액세스(contention based random access, CBRA) 절차에서, 단말은 RA 프리앰블을 랜덤하게 선택할 수 있다. 비경쟁 기반 랜덤 액세스(contention free random access, CFRA) 절차에서, 기지국은 RA 프리앰블을 단말에 미리 할당할 수 있다. "RA 프리앰블이 미리 할당되는 것"은 "MSG1을 위한 RA 프리앰블의 인덱스, 마스킹 정보 등이 단말을 위해 전용으로 할당되는 것"을 의미할 수 있다. 이 경우, 단말은 다른 단말과 경쟁 없이 랜덤 액세스 절차(예를 들어, CFRA 절차)를 수행할 수 있다.

기지국은 단말로부터 MSG1을 수신할 수 있고, MSG1에 대한 응답 메시지(MSG2)를 생성하여 전송할 수 있다(S320). 즉, 단계 S320에서 기지국은 랜덤 액세스 요청(또는 접속 시도)에 대한 응답 메시지를 생성 또는 구성하여 단말에게 전송할 수 있다. 이하에서 단계 S320에서 기지국(또는 셀)이 전송하는 응답 메시지는 상향링크 무선 자원을 할당하는 PDCCH(예컨대, DCI(Downlink Control Information) 형태)만으로 전송되거나, 랜덤 액세스 응답을 위한 PDCCH(Physical Downlink Control Channel)만으로 전송되거나, PDSCH(Physical Downlink Shared Channel)로 전송될 수 있다.

단계 S320에서 상향링크 무선자원을 할당하는 PDCCH가 전송되는 경우, 해당 DCI는 상향링크 자원 할당 정보(예컨대, 스케줄링 정보), 전송 타이밍 조절 정보(예컨대, TA(timing advance) 값, TA 명령(command)), 전송 전력 조절 정보, 백오프(backoff) 정보, 빔 설정 정보 또는 TCI 상태 정보, CS(Configured Scheduling) 상태 정보, 상태 천이 정보, PUCCH(Physical Uplink Control Channel) 설정 정보, 단계 310에서 수신된 MSG1의 인덱스(예를 들어, 프리앰블 인덱스), 및 단계 S330에서 MSG3의 전송을 위한 상향링크 자원 할당 정보 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 여기서, 빔 설정 정보는 특정 빔의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다. TCI 상태 정보는 특정 TCI 상태의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다. CS 상태 정보 또는 CG(configured grant) 상태 정보는 CS 방식으로 할당된 무선 자원의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다. 상태 천이 정보는 특정 동작 상태에서 RRC 휴지 상태, RRC 연결 상태, 또는 RRC 인액티브 상태로 천이할 것을 지시할 수 있다. PUCCH 설정 정보는 SR(scheduling request) 자원의 할당 정보 또는 SR 자원의 비활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다.

단말은 기지국으로부터 MSG2를 수신할 수 있다. 단말은 자신의 정보를 포함하는 MSG3를 기지국으로 전송할 수 있다(S330). 단말 정보는 단말의 식별자, 능력(capability), 속성, 이동 상태, 위치 정보, 무선 접속의 이유, 전송하고자 하는 상향링크 데이터의 크기(예를 들어, BSR(buffer status report)), 연결 설정 요청 정보, 및 상향링크 데이터 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 단계 S330에서 단말은 단말이 필요로 하는 정보를 요청하는 정보를 기지국에 전송할 수 있다.

단계 S320에서 MSG2가 DCI에 기초하여 수신된 경우, 단말은 DCI에 포함된 정보 요소(들)에 따른 동작을 수행할 수 있다. DCI에 포함된 정보 요소(들)는 "단말의 동작 상태의 천이 요청 정보", "단말의 동작 상태의 유지 요청 정보", "빔의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보", "TCI 상태의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보", "CS 상태의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보"중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 경우, 단계 S330의 수행 없이 랜덤 액세스 절차는 종료될 수 있다.

단계 S320에서 MSG2가 DCI에 기초하여 수신되고, MSG3을 위한 상향링크 무선 자원이 할당되지 않은 경우, 단말은 MSG3을 위한 상향링크 무선 자원의 할당 정보가 수신될 때까지 기다릴 수 있다. 미리 설정된 타이머가 종료되기 전에 MSG3을 위한 상향링크 무선 자원의 할당 정보가 수신된 경우, 단말은 할당된 상향링크 무선 자원을 사용하여 MSG3을 기지국에 전송할 수 있다, 반면, 미리 설정된 타이머가 종료될 때까지 MSG3을 위한 상향링크 무선 자원의 할당 정보가 수신되지 않은 경우, 단말은 랜덤 액세스 절차를 다시 수행할 수 있다. 즉, 단말은 단계 S310부터 다시 수행할 수 있다.

단계 S340에서, 기지국은 단말로부터 요청된 하향링크 정보를 전송할 수 있다. 또는, 기지국은 하향링크 데이터 또는 제어 메시지를 단말에 전송할 수 있다. 단계 S340에서, 기지국은 단말로부터 수신된 단말 식별자(예를 들어, 단계 S330에서 수신된 단말 식별자)를 단말에 전송할 수 있다. 단계 S340에서 기지국이 전송하는 메시지는 "MSG4"로 지칭될 수 있다.

기지국은 MSG3의 전송을 위한 자원 할당 정보(예를 들어, 스케줄링 정보)를 MSG2를 사용하여 단말에 전송할 수 있다. 스케줄링 정보는 스케줄링 정보를 전송하는 기지국의 식별자, 빔 인덱스, 스케줄링 정보를 구분하기 위한 구분자, 무선 자원의 할당 정보, MCS 정보 및 스케줄링 정보의 수신 여부를 지시하는 피드백 정보(예컨대, ACK, NACK)의 전송을 위한 자원 할당 정보 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 무선 자원의 할당 정보는 주파수 영역 자원 할당 정보(예컨대, 전송 대역 정보, 서브캐리어 할당 정보) 및/또는 시간 영역 자원 할당 정보(예컨대, 프레임 인덱스, 서브프레임 인덱스, 슬롯 인덱스, 심볼 인덱스, 전송 구간, 전송 타이밍)를 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 4단계 랜덤 액세스 절차에서 MSG3은 아래 정보 요소들 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.

- 단말의 능력(capability)

- 단말의 속성

- 단말의 이동 상태(mobility state)

- 단말의 위치(location) 정보

- 접속 절차(예컨대, 랜덤 액세스 절차)의 시도 이유

접속 절차의 시도 이유는 "단말 요구에 따른 시스템 정보의 전송 요청", "단말 펌웨어 또는 필수 소프트웨어의 갱신에 따른 하향링크의 데이터 전송 요청", 또는 "상향링크 자원의 할당 요청"일 수 있다. 접속 절차의 시도 이유를 지시하는 정보는 접속 절차를 수행한 이유를 식별할 수 있는 정보일 수 있다. 접속 절차를 수행한 이유를 구분할 수 있는 정보 요소(들)은 다음과 같을 수 있다.

- 상향링크 자원의 할당 정보

- 핸드오버 요청 정보 또는 측정 결과 정보

- 단말의 동작 상태의 천이(또는, 변경) 요청 정보

- 무선 채널의 재시작(resume) 정보

- 무선 채널의 재수립(re-establishment) 정보

- 빔포밍을 위한 빔 스위핑, 빔 재설정, 또는 빔 변경에 관한 정보

- 물리채널 동기 획득에 관한 정보

- 위치 정보의 갱신 정보

- 이동 상태 또는 버퍼 상태 보고

도 3의 4단계 랜덤 액세스 절차를 이용하여 휴지 상태 또는 인액티브 상태의 단말은 간헐적으로 발생하는 데이터 또는 시그널링 메시지(예컨대, MAC 계층 또는 RRC 계층의 제어 메시지)를 전송할 수 있다.

도 4은 5 세대 통신 시스템에서 2단계 랜덤 액세스 절차의 일 실시예를 도시한 순서도이다.

도 4을 참조하면, 통신 시스템은 기지국, 단말 등을 포함할 수 있다. 기지국은 도 1에 도시된 기지국기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)일 수 있고, 단말은 도 1에 도시된 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)일 수 있다. 기지국 및 단말은 도 2에 도시된 통신 노드와 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다. 랜덤 액세스 절차는 다음과 같이 2단계로 수행될 수 있다.

기지국은 단계 S401에서 랜덤 액세스 절차를 위한 무선 자원(예를 들어, 상향링크 자원)의 설정 정보를 포함하는 시스템 정보 및/또는 제어 메시지를 단말에 전송할 수 있다. 단말은 기지국으로부터 시스템 정보 및/또는 제어 메시지를 수신함으로써 랜덤 액세스 절차를 위한 무선 자원의 설정 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 제어 메시지는 전용 제어 메시지일 수 있다. 시스템 정보 및/또는 전용 제어 메시지는 도 3에 도시된 단계 S301의 시스템 정보 및/또는 전용 제어 메시지와 동일 또는 유사할 수 있다.

단말은 기지국에 의해 설정된 무선 자원을 사용하여 MSG-A를 기지국에 전송할 수 있다(S410). MSG-A는 RA 프리앰블 및 단말 식별자(예를 들어, UE ID, C-RNTI)를 포함할 수 있다. 또한, MSG-A는 상향링크 데이터 및/또는 제어 정보를 더 포함할 수 있다. 2단계 랜덤 액세스 절차에서 메시지 1은 "MSG-A"로 지칭될 수 있고, MSG-A는 4단계 랜덤 액세스 절차에서 MSG1과 구별될 수 있다.

MSG-A는 프리앰블 및 RA 페이로드(payload)를 포함한다. 2단계 랜덤 액세스 절차에서 RA 프리앰블은 "2단계-RA 프리앰블"로 지칭될 수 있고, 2단계 랜덤 액세스 절차에서 페이로드는 "2단계-RA 페이로드"로 지칭될 수 있다. MSG-A의 RA 프리앰블은 단말의 MAC 계층에 의해 선택될 수 있다. NSG-A의 RA 페이로드는 물리계층으로 전달될 수 있다. MSG-A의 페이로드는 단말 식별자(예를 들어, UE ID, C-RNTI), 상향링크 데이터 및 제어 정보 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 기지국은 상향링크 데이터의 크기 및/또는 무선링크의 채널 품질(경로 손실, RSRP 또는 RSRO 등)에 따라 선택적으로 적용되는 다음의 랜덤 액세스 파라미터들 또는 설정 정보를 설정할 수 있다.

MSG-A의 RA 프리앰블을 위한 전송 자원을 MSG-A의 RA 페이로드를 위한 전송 자원과 다르게 설정하기 위해, MSG-A의 RA 페이로드의 전송을 위한 상향링크 무선 자원(예를 들어, MSG-A의 RA 페이로드 전송을 위하여 설정된 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel))은 MSG-A의 RA 프리앰블에 대응하도록 설정될 수 있다. 즉, MSG-A의 RA 프리앰블 전송을 위한 상향링크 무선 자원과 MSG-A의 RA 페이로드 전송을 위한 상향링크 무선 자원 간의 매핑 관계가 설정될 수 있다.

예를 들어, RA 프리앰블의 전송 자원은 RA 페이로드의 전송 자원과 일대일로 매핑될 수 있다. 이 경우, 하나의 PRACH(Physical Random Access Channel)는 하나의 PUSCH와 매핑될 수 있다. 또는, RA 프리앰블의 복수의 전송 자원들은 RA 페이로드의 하나의 전송 자원과 매핑될 수 있다. 이 경우, 하나의 PRACH는 복수의 PUSCH들과 매핑될 수 있다. RA 페이로드의 수신 품질 향상을 위해, RA 페이로드는 반복 전송될 수 있다. RA 페이로드의 반복 전송을 위한 상향링크 무선 자원들이 설정될 수 있고, 해당 상향링크 무선 자원들은 RA 프리앰블의 전송 자원과 매핑될 수 있다.

예를 들어, "MSG-A의 전송 자원이 미리 설정된 경우" 또는 "MSG-A의 RA 프리앰블이 미리 설정된 영역(또는, 그룹)을 통해 전송되는 경우", 기지국은 MSG-A의 RA 페이로드의 반복 전송을 위한 상향링크 무선 자원들을 설정할 수 있다. 따라서, "커버리지 확장 기능을 적용하는 경우" 또는 "미리 설정된 기준 조건을 만족하는 경우", 단말은 RA 페이로드의 반복 전송을 위해 RA 프리앰블 자원 또는 RA 프리앰블 인덱스를 선택할 수 있고, 선택된 자원 또는 인덱스에 기초하여 RA 페이로드를 반복적으로 전송할 수 있다. 단말은 RA 프리앰블 인덱스와 매핑되는 상향링크 무선 자원들을 사용하여 RA 페이로드를 반복적으로 전송할 수 있다. RA 페이로드의 전송을 위한 상향링크 무선 자원들(예를 들어, 중복된 무선 자원들)은 주파수 영역 또는 시간 영역에서 미리 설정된 구간 내에서 설정될 수 있다. MSG-A 전송을 위한 상향링크 무선 자원들의 매핑 관계 정보는 시스템 정보 및/또는 RRC 메시지를 통해 단말로 전송될 수 있다.

2단계 랜덤 액세스 절차가 비경쟁 방식으로 수행되는 경우, MSG-A의 RA 프리앰블 및 RA 페이로드의 전송 자원들을 단말 전용으로 할당될 수 있다. CFRA 절차에서 단말 전용으로 설정된 RA 프리앰블의 자원 정보는 SS/PBCH 자원 리스트, CSI-RS 자원 리스트, SS/PBCH 인덱스, CSI-RS 인덱스, RA 프리앰블 인덱스 등을 포함할 수 있다. MSG-A의 RA 페이로드의 전송 자원은 RA 프리앰블의 전송 자원과 RA 페이로드의 전송 자원 간의 매핑 관계(예를 들어, 일대일 매핑 관계 또는 다대일 매핑 관계)에 기초하여 결정될 수 있다. CFRA 절차(예를 들어, 2단계 CFRA 절차)에서 단말 전용으로 설정된 RA 페이로드의 자원 정보는 RA 페이로드의 전송을 위한 상향링크 무선 자원의 할당 정보, 빔 설정 정보, MCS 정보 등을 포함할 수 있다.

2단계 랜덤 액세스 절차에서 RA 프리앰블의 전송 자원은 시간 영역에서 RA 페이로드의 전송 자원과 연속할 수 있다. 또는, RA 프리앰블의 전송 자원과 RA 페이로드의 전송 자원은 시간 윈도우(time window) 내에서 할당될 수 있다. 2단계 랜덤 액세스 절차를 수행하는 단말은 RA 프리앰블의 전송 자원과 연속된 RA 페이로드 전송 자원을 사용하여 RA 페이로드를 전송할 수 있다. 또는, 단말은 미리 설정된 시간 윈도우 내의 RA 페이로드 전송 자원을 사용하여 RA 페이로드를 전송할 수 있다.

다른 방법으로, RA 프리앰블의 전송 자원과 RA 페이로드의 전송 자원의 할당을 위한 파라미터(들)는 주파수 오프셋 및/또는 시간 오프셋을 포함할 수 있다. 따라서, 단말은 RA 프리앰블에 매핑되는 RA 페이로드를 위한 무선 자원을 사용하여 RA 페이로드를 전송할 수 있다. 또는, 단말은 RA 페이로드의 전송을 위하여 설정된 무선 자원들 중에서 하나 이상의 무선 자원들을 랜덤하게 선택할 수 있고, 선택한 무선 자원(들)을 사용하여 RA 페이로드를 전송할 수 있다.

단계 S410에서 전송되는 MSG-A의 RA 페이로드는 도 3에 도시된 단계 S330에서 전송되는 MSG3과 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다. 예를 들어, MSG-A의 RA 페이로드는 단말의 식별자, 능력, 속성, 이동 상태, 위치 정보, 접속 절차의 시도 이유, 빔 실패 복구의 요청 정보, CA 환경에서의 기지국(또는, 셀)에 대한 측정 결과, CA의 활성화/비활성화 요청 정보, BWP의 변경 요청 정보, BWP의 비활성화/활성화 요청, 상향링크 데이터, 상향링크 데이터의 크기, 상향링크 버퍼 크기 정보(예를 들어, BSR), 연결 설정 요청을 위한 제어 메시지, 상향링크 데이터의 크기가 미리 설정된 조건에 부합되는지를 지시하는 정보, 상향링크 자원 할당의 요청 정보, 및 무선 채널의 측정 결과 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 도 3의 MSG3에 포함되는 상향링크 데이터를 위한 제어 정보는 도 4에서 MSG-A의 RA 페이로드에 포함될 수 있다. 즉, 단말은 상향링크 데이터 전송을 위하여 단말은 MSG-A의 RA 페이로드를 이용하여 데이터가 분할되어 전송되는지 여부(또는, 데이터가 일회성 전송으로 전송되는지 여부)를 지시하는 정보를 함께 전송할 수 있다. 데이터가 분할되어 전송되는지 여부에 따라 단말은 데이터 외에 별도의 제어 메시지(MAC 계층 및/또는 RRC 계층 제어 메시지)를 전송할 수 있다.

단계 S410에서 RA 프리앰블과 함께 MSG-A의 RA 페이로드 전송용 무선 자원으로 단말 식별자, 상향링크 데이터 또는 제어 시그널링 정보가 전송되는 경우, 해당 상향링크 데이터 또는 제어 시그널링 정보의 속성, 길이 또는 해당 제어 정보가 포함되는지 여부 등을 지시하기 위한 제어 필드는 MAC 헤더, 논리 식별자(예컨대, LCID) 또는 MAC CE 등의 형태로 구성될 수 있다.

단계 S410에서 단말은 단말의 전송 타이밍 조절(예를 들어, TA(Timing Advance)) 또는 송신 전력 제어를 위하여 MSG-A의 페이로드를 구성하는 첫번째 심볼 또는 일부 심볼에 프리앰블, 파일럿 심볼 또는 기준신호(예를 들어, RS(Reference Signal))를 삽입하여 MASG-A의 페이로드를 전송할 수 있다.

단계 S410의 MSG-A를 통해 단말이 전송한 단말의 식별자와 상향링크 데이터 또는 제어 시그널링 정보를 수신한 기지국은 응답 메시지(MSG-B)를 생성하여 전송할 수 있다(S420). MSG-B는 BI(Backoff Indicator), 상향링크 무선 자원 할당 정보, 수신된 MSG-A의 RA 프리앰블을 지시하는 정보, 단말의 전송 타이밍 조절 정보(TA), 스케줄링 식별자(C-RNTI 또는 Temporary C-RNTI 등), 및/또는 경쟁 해결(contention resolution)을 위한 단말 식별자(이하 CRID(contention resolution ID))를 포함할 수 있다.

2단계 랜덤 액세스 절차에서 MSG-B가 단말에게 할당된 C-RNTI로 스케줄링되거나 MSG-B에 MSG-A를 통하여 전송했던 CRID가 포함된 경우, 기지국은 경쟁이 해결된 것으로 판단할 수 있다. 특히, C-RNTI를 이용하여 MSG-B(또는 RA MSG-A에 대한 RA 응답 메시지)를 포함하는 PDSCH의 스케줄링 정보를 기지국이 전송하는 경우, 응답 윈도우 내(또는 관련 타이머가 종료하기 전)에 TA 정보 또는 상향링크 그랜트 정보를 포함하는 MSG-B를 수신하면, 단말은 단말이 전송한 MSG-A에 대한 경쟁 해결이 완료된 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, C-RNTI로 스케줄링되는 MSG-B가 단말이 전송한 MSG-A에 따른 2단계 랜덤 액세스 절차에 대한 응답임을 명확하게 하기 위하여, PDCCH(예컨대, DCI 또는 UCI)내의 필드(또는 비트)를 이용하여 해당 PDCCH로 스케줄링되는 MSG-B가 RAR(random access response)임을 지시할 수 있다. 또는, MAC 서브헤더의 필드 정보 또는 RAR을 위한 MAC CE 전송을 위한 논리채널 식별자(LCID)를 이용하여 C-RNTI로 스케줄링되는 MSG-B가 단말이 전송한 MSG-A에 따른 2단계 랜덤 액세스 절차에 대한 응답임을 지시할 수 있다. 여기서, 4단계 랜덤 액세스 절차에서 응답 윈도우는 MSG1의 전송이 완료한 시점에서 시작될 수 있고, 2단계 랜덤 액세스 절차에서 응답 윈도우는 MSG-A의 RA 페이로드의 전송이 완료된 시점에서 시작될 수 있다. 따라서, 단말이 RA 응답 윈도우 내(또는 관련 타이머가 종료하기 전)에 C-RNTI로 스케줄링된 TA 정보 또는 상향링크 그랜트 정보를 포함하는 MSG-B를 수신하지 못한 경우, 단말이 전송한 MSG-A에 따른 2단계 랜덤 액세스 절차에 대한 경쟁 해결이 실패한 것으로 판단될 수 있다. 단말이 전송한 MSG-A에 따른 2단계 랜덤 액세스 절차에 대한 응답으로 C-RNTI로 스케줄링되는 MSG-B가 전송되는 경우, TA 정보와 함께 MSG-A에 대한 응답을 위한 스케줄링 정보가 포함되어 있음을 알리는 지시자(indicator)를 포함한 PDCCH(예를 들어, DCI 또는 UCI)가 전송될 수 있다.

MSG-B는 기지국의 MAC 계층의 MAC 제어 메시지(예컨대, MAC CE)의 형태 및/또는 RRC 계층의 RRC 제어 메시지의 형태로 생성될 수 있다. MSG-B가 MAC CE의 형태로 생성되는 경우, 수신된 MSG-A에 대한 정보를 전달받은 RRC 계층이 MSG-B에 포함되어야 하는 제어 파라미터들을 MAC 계층으로 전달하고, MAC 계층이 MAC CE의 형태로 MSG-B를 생성(또는 구성)할 수 있다. 단계 420에서, 기지국은 MSG-A의 페이로드를 통하여 수신된 단말의 식별자를 MSG-B에 포함시켜 전송할 수 있다.

MSG-A의 RA 프리앰블이 단말에게 전용으로 할당되었거나 MSG-A의 RA 프리앰블과 RA 페이로드의 전송을 위한 무선자원이 미리 정해진 매핑 관계를 가지는 경우, 단계 S420의 응답 메시지는 단말이 전송했던 RA 프리앰블의 인덱스 정보를 포함하지 않을 수 있다.

MSG-A의 RA 프리앰블이 단말에게 전용으로 할당되었거나 단말에게 할당된 스케줄링 식별자(예컨대, C-RNTI)를 포함한 RA 페이로드가 수신된 경우, 기지국은 해당 스케줄링 식별자를 이용하여 MSG-B를 전송하기 위한 물리계층 무선자원에 대한 스케줄링 정보(예를 들어, PDCCH)를 전송할 수 있다.

단계 S420에서, 기지국은 상향링크 무선자원을 할당하는 PDCCH만을 전송하거나, RA 응답을 위한 PDCCH(예컨대, DCI 형태)만을 전송하거나, PDSCH를 통해 랜덤 액세스 응답 메시지를 전송할 수 있다. 단계 S420에서 기지국이 상향링크 무선 자원을 할당하는 PDCCH만을 전송하는 경우, 해당 DCI는 상향링크 자원 할당 정보(예컨대, 스케줄링 정보), 전송 타이밍 조절 정보(예를 들어, TA 값, TA 명령(command)), 전송 전력 조절 정보, 백오프(backoff) 정보, 빔 설정 정보 또는 TCI 상태 정보, CS(Configured scheduling) 상태 정보, 상태 천이 정보, PUCCH 설정 정보, 단계 S410에서 수신된 MSG-A의 RA 프리앰블의 인덱스, 및 MSG-A의 RA 페이로드 전송을 위한 상향링크 자원 할당 정보 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 여기서, 빔 설정 정보는 특정 빔의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다. TCI 상태 정보는 특정 TCI 상태의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다. CS 상태 정보 또는 CG(configured grant) 상태 정보는 CS 방식으로 할당된 무선 자원의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다. 상태 천이 정보는 특정 동작 상태에서 RRC 휴지 상태, RRC 연결 상태, 또는 RRC 인액티브 상태로 천이할 것을 지시할 수 있다. 또는, 상태 천이 정보는 현재 동작 상태를 유지할 것을 지시할 수 있다. PUCCH 설정 정보는 SR(scheduling request) 자원의 할당 정보일 수 있다. 또는, PUCCH 설정 정보는 SR 자원의 활성화 또는 비활성화를 지시하는 정보일 수 있다.

그리고, 기지국은 상기 설명한 PDCCH만을 전송하여 단계 S420에서 상기의 제어 정보들을 PDSCH 무선자원을 이용하여 전송할 수도 있다. 즉, 상기의 상향링크 무선 자원 할당할당(또는 스케줄링) 정보, 전송 타이밍 조절 정보, 송신 전력 조절 정, 백오프 정보, 빔 설정 또는 TCI 상태 정보, CS 상태 정보, 상태 천이 정보, PUCCH 설정 정보, 단계 S410에서 단말이 전송한 MSG-A의 RA 프리앰블 인덱스를 생성하여 전송할 수 있다.

기지국은 단계 S420에서 랜덤 액세스 응답을 위한 PDCCH만을 전송할 수 있다. 이 경우, 상기 제어 정보들은 PDSCH를 통해 전송될 수 있다. 즉, 제어 정보들은 상향링크 자원 할당 정보(예를 들어, 스케줄링 정보), 전송 타이밍 조절 정보(예를 들어, TA 값, TA 명령), 전송 전력 조절 정보, 백오프 정보, 빔 설정 정보 또는 TCI 상태 정보, CS 상태 정보, 상태 천이 정보, PUCCH 설정 정보, 단계 S410에서 수신된 MSG-A의 프리앰블의 인덱스 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.

단계 S420의 MSG-B의 생성 및 전송을 위해서, 기지국은 RA-RNTI 또는 단말에게 할당된 스케줄링 식별자(C-RNTI)를 이용하여 MSG-B의 전송을 위한 스케줄링 정보를 포함한 PDCCH를 전송할 수 있다. 해당 PDCCH내의 스케줄링 정보가 어드레스하는 PDSCH 자원을 이용하여 랜덤 액세스 응답 메시지(MSG-B)가 전송될 수 있다.

기지국이 전송한 단계 S420의 MSG-B를 단말이 성공적으로 수신하면 2단계 랜덤 액세스 절차가 종료된다. 또한, 단계 S420의 MSG-B를 수신한 단말은 기지국 전송한 상향링크의 스케줄링 정보를 이용하여 상향링크 데이터 또는 제어 메시지를 생성하여 전송할 수 있다.

2단계 랜덤 액세스 절차를 기지국(또는 셀)이 허용하는 지의 여부 또는 단말이 2단계 랜덤 액세스 절차를 시도할 수 있는 조건 등의 제어 정보를 기지국은 브로드캐스트(broadcast) 방식으로 전송되는 시스템 정보, 멀티캐스크(multicast) 방식으로 전송되는 제어 시그날링 또는 전용 제어(dedicated control) 메시지를 이용하여 단말에게 통보할 수 있다. 여기서, 2단계 랜덤 액세스 절차가 허용되는지 여부에 대한 정보는 해당 기지국이 서비스 영역 내의 단말(들)에게 2단계 랜덤 액세스 절차를 이용한 접속 시도를 허용하는지 또는 제한(또는 부분적으로 금지)하는지에 대한 정보를 의미한 것이다. 2단계 랜덤 액세스 절차가 제한된 경우, 2단계 랜덤 액세스 절차가 제한되거나 부분적으로 금지되는 조건에 대한 정보가 단말에게 전송될 수 있다. 기지국(또는 셀)이 2단계 랜덤 액세스 절차를 허용하지 않거나 2단계 랜덤 액세스 절차가 제한되는 조건(또는 부분적으로 금지)이 만족되는 경우 단말은 2단계 랜덤 액세스 절차를 시도할 수 없다.

단말이 2단계 랜덤 액세스 절차를 시도할 수 있는 조건에 대한 정보는 단말이 해당 조건이 부합되는 경우에만 2단계 랜덤 액세스 절차를 수행하도록 하기 위한 정보이다. 예를 들어, 단말이 측정한 무선채널의 품질이 기지국이 상기의 제어 정보를 이용하여 설정한 기준 조건(또는 임계 값)을 만족하는 경우에만, 단말이 2단계 랜덤 액세스 절차를 수행하도록 제어될 수 있다. 여기서, 무선 채널의 품질은 예를 들어, RSSI(Received Signal Strength Indicator), RSCP(Received Signal Code Power), RSRP(Reference Signal Received Power), 또는 RSRQ(Reference Signal Received Quality)일 수 있다. 또는, 무선채널의 품질은 기지국(또는 셀, TRP 등)과 단말간 무선구간의 품질을 측정하는 기준 파라미터이다. 4단계 랜덤 액세스 절차를 위한 MSG1의 RA 프리앰블(또는 시그니처)과 2단계 랜덤 액세스 절차를 위한 MSG-A의 RA 프리앰블(또는 시그니처)는 동일하게 구성될 수 있다. 즉, 동일한 코드 생성식을 이용하여 생성된 코드 시퀀스들이 4단계 랜덤 액세스 절차를 위한 MSG1의 RA 프리앰블(또는 시그니처)과 2단계 랜덤 액세스 절차를 위한 MSG-A의 RA 프리앰블로 사용될 수 있다. 하지만, 이 경우, 2단계 랜덤 액세스 절차에서 단말이 사용하는 RA 프리앰블 전송을 위한 상향링크 물리계층 무선자원 또는 RA 프리앰블 인덱스는 4단계 랜덤 액세스 절차에서 단말이 사용하는 RA 프리앰블 전송을 위한 상향링크 물리계층 무선자원 또는 RA 프리앰블 인덱스과 다르게 설정될 수 있다. 서로 다른 상향링크 물리계층 무선자원들을 설정하는 방법으로는 시간 영역에서 랜덤 액세스 무선자원들을 다르게 설정하거나 또는 주파수 영역에서 랜덤 액세스 무선자원들을 다르게 설정하는 방법, 또는 시간 영역과 주파수 영역에서 랜덤 액세스 무선자원들을 다르게 설정하는 방법이 이용될 수 있다. 주파수 영역에서, 무선자원은 주파수 대역, 밴드, 서브캐리어, 또는 빔포밍 기법에 따른 빔을 식별하기 위한 지시자(indicator) 또는 인덱스(index)로 설정될 수 있다. 시간 영역에서, 무선자원은 무선 프레임(radio frame), 서브 프레임(sub-frame), TTI(Transmission Time Interval), 슬롯(slot), 미니 슬롯(mini-slot), 또는 심볼(symbol) 등의 송신(또는 수신) 시간(또는 주기, 구간, 윈도우) 단위(들)을 식별하기 위한 지시자, 인덱스, 또는 숫자(number)로 설정될 수 있다. 따라서, 단말이 RA 프리앰블 전송을 위하여 사용한 상향링크 물리계층 자원만으로 또는 단말이 전송한 RA 프리앰블을 수신하는 것만으로 기지국은 해당 RA 프리앰블이 2단계 랜덤 액세스 절차 또는 4단계 랜덤 액세스 절차를 위한 RA 프리앰블인지를 판단할 수 있다.

상술된 도 4의 2단계 랜덤 액세스 절차를 이용하여 단말은 간헐적으로 발생하는 데이터를 전송할 수 있다. 인액티브 상태 또는 휴지 상태의 단말은 도 4에 따른 MGS-A의 전송을 위한 동작을 트리거링할 수 있다. 즉, 간헐적으로 발생하는 데이터의 전송을 위하여 미리 설정된 조건이 만족되는 경우, 단말은 상술된 조건에 부합하는 MSG-A의 전송을 위하여 단계 410을 수행할 수 있다. 이때, 단말은 MSG-A의 페이로드에 데이터 전송을 위한 제어 정보를 포함하여 전송할 수 있다.

5세대 통신 시스템의 요구사항 mMTC를 지원하는 단말은 주로 상향링크에서 트래픽이 발생하며 주기적 혹은 간헐적으로 데이터 전송을 수행할 수 있다. 이때 데이터의 크기는 비교적 작으면서 단말은 이동성이 없거나 적으면서 단말의 수는 매우 많을 수 있다. 도 3에 도시된 5세대 통신 시스템의 4단계 랜덤 액세스 절차를 도4에 도시된 5세대 통신 시스템의 2단계 랜덤 액세스 절차를 간소화하여 단말은 간헐적이고 산발적으로 발생하는 트래픽을 효율적으로 전달할 수 있다. 또한, 단말은 별도의 채널 할당 절차를 거치지 않는 그랜트-프리 형태의 데이터를 즉시 전송함으로써 지연 요구사항을 만족시킬 수 있다. 이러한 2단계 랜덤 액세스 절차에서 프리앰블과 데이터(패킷 또는 페이로드)는 다음과 같이 자원이 할당될 수 있다.

도 5는 5 세대 통신 시스템의 2단계 랜덤 액세스 절차에서 프리앰블과 데이터 자원 할당의 일 실시예를 도시한 개념도이다.

도 5를 참조하면, 단말은 주파수 도메인 RACH(Radom Access Channel) 오케이전(occasion)(예를 들어, 프리앰블 a, 프리앰블 b, 프리앰블 c, 프리앰블 d)과 프리앰블 인덱스에 매핑된 데이터 자원 PUSCH 오케이젼들(PO_프리앰블 a, PO_프리앰블 b, PO_프리앰블 c, PO_프리앰블 d)를 포함하고 있다. 2단계 랜덤 액세스 절차에서 단말은 PRACH 슬롯에서 프리앰블과 PRACH 슬롯 직후의 슬롯에서 프리앰블 인덱스에 매핑된 데이터를 연속적으로 전송할 수 있으므로 시그널링 오버헤드와 접속 지원 시간을 줄일 수 있다.

그러나, 2단계 랜덤 액세스 절차에서 데이터의 전송 파라미터는 고정될 수 있고, 프리앰블 자원과 별도의 데이터 시간/주파수 자원은 데이터의 송신 유무와 상관없이 할당될 수 있다. 따라서, 단말의 2단계 랜덤 액세스 절차는 자원의 효율성이 떨어지는 단점을 갖을 수 있다. 이러한 상기의 단점은 Massive MIMO 환경을 지원하는 기지국에서 프리앰블 자원과 동일한 시간/주파수 자원에서 데이터를 전송하는 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 통해 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법은 각 단말별 전송하는 payload size가 다른 경우에도 각 데이터를 효율적으로 전송할 수 있다.

Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 이용하면, 단말은 단말의 요구사항에 따라 단말이 전송할 수 있는 Preamble의 index나 주파수 대역이 설정되고 단말의 payload를 변경할 수 있다. 기지국은 Massive MIMO 환경을 지원하며 Massive MIMO환경에서 Preamble을 이용한 정밀한 채널 추정이 가능이 가능한 환경에서 1개의 RACH 전송 가능 주파수에서 Preamble을 전송하는 단말로부터 채널 추정계수를 추정하고, 이전 slot에서 채널 추정 계수를 획득한 단말의 data packet을 복조 할 수 있다. 기지국에서 1개의 preamble로 복조 가능한 data packet의 길이는 slot 길이의 최대 4배까지 가능하다.

Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법은 프리앰블을 전송하는 시간 자원 슬롯(PRACH 슬롯), 동일한 주파수 자원에서 데이터의 길이(슬롯의 개수), 시간 자원의 주기(PRACH 주기) 등을 다양하게 설정할 수 있다. 상기 데이터 전송 방법에서 프리앰블은 PRACH 주기 내에서 위치가 정해지고 PRACH 주기마다 반복적으로 전송될 수 있다. 상기 데이터 전송 방법에서 프리앰블과 데이터 자원은 다음과 같이 할당될 수 있다.

도 6은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 자원 할당의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 특정 슬롯/특정 주파수 자원에서 프리앰블이 전송되고 그 직후의 슬롯에서 동일한 주파수 자원을 이용하여 데이터를 전송할 수 있다. 여기서, 데이터는 프리앰블의 인덱스에 따른 프리앰블 그룹 구분에 기초하여 하나 또는 복수의 슬롯에서 연속적으로 전송될 수 있다. 프리앰블 전송에 할당된 주파수 자원에서 슬롯 s구간에서 동시에 전송할 수 있는 프리앰블의 개수가 L개이면, 다음 슬롯 s+1 구간에서 각 프리앰블과 매핑된 데이터가 전송될 수 있다. 또한, 동시에 슬롯 s+1 구간에서 L개의 프리앰블이 전송될 수 있다. 프리앰블의 인덱스에 따라 프리앰블 그룹은 프리앰블 그룹1 과 프리앰블 그룹 2로 구분될 수 있다. 프리앰블 그룹1은 프리앰블 인덱스 1 부터 L₁-1까지 포함할 수 있고, 프리앰블에 이어서 하나의 슬롯에서 데이터를 전송할 수 있다. 프리앰블 그룹2는 프리앰블 인덱스 L₁-1 부터 L까지 포함할 수 있고, 프리앰블에 이어서 복수의 슬롯에서 데이터가 연속적으로 전송될 수 있다.

도 7은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 자원 할당의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.

도 7을 참조하면, 프리앰블들 간의 구분을 위하여 주파수 분할 다중화(frequency division multiplexing, FDM) 방식이 적용될 수 있다. 특정 슬롯/특정 주파수 자원에서 프리앰블이 전송되고 그 직후의 슬롯에서 동일한 주파수 자원을 사용하여 데이터를 전송할 수 있다. 여기서, 데이터는 주파수 자원에 따른 프리앰블 그룹 구분에 기초하여 하나 또는 복수의 슬롯에서 연속적으로 전송될 수 있다. 주파수 자원에 따라 프리앰블 그룹은 프리앰블 FDM1과 프리앰블 FDM2로 구분될 수 있다. 상기 프리앰블 FDM1은 주파수 자원 FMD1에서 프리앰블을 전송하고 이어서 하나의 슬롯에서 데이터를 전송할 수 있다. 상기 프리앰블 FDM2는 주파수 자원 FDM2에서 프리앰블을 전송하고 이어서 복수의 슬롯에서 데이터를 전송할 수 있다.

하나의 기지국에서 특정 주파수 대역의 Random access period 설정시 모든 random access group의 첫번째 시작 slot은 Preamble만 전송한다. 그러나 S + 1에 Preamble을 전송할 수 있는 단말 group이 할당될 수 있다. Slot S에 preamble을 전송한 단말은 S + 1, S + 2 등 연속한 slot에 data packet payload를 전송할 수 있다.

단말의 데이터 주파수 자원은 프리앰블의 주파수 자원과 동일하므로 부호율이 일정한 경우 하나의 슬롯에서 전송할 수 있는 데이터의 길이는 고정될 수 있다. 길이가 긴 데이터를 전송하기 위해 단말은 데이터의 시간 자원이 하나의 슬롯 이상인 데이터 자원영역을 정의할 수 있고 데이터의 전송 슬롯 길이에 따라 프리앰블 인덱스를 구분하거나 프리앰블의 주파수 자원을 구분할 수도 있다. 초기 접속이 아닌 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법은 동일한 주파수 자원에서 데이터의 길이(슬롯 개수)를 다양하게 설정하여 전송할 수 있다.

기지국은 단말들의 프리앰블 및 데이터 전송을 위한 설정 정보를 설정할 수 있다. 단말은 기지국에서 설정된 프리앰블 및 데이터 전송을 위한 설정 정보에 기초하여, 프리앰블과 데이터를 동일한 주파수 자원의 연속적인 슬롯에 전송할 수 있고 데이터는 한 개 이상의 슬롯에 걸쳐 전송될 수 있다. 기지국은 다중 안테나로 수신한 프리앰블을 이용하여 채널 벡터(channel vector)를 계산함으로써 채널 추정(channel estimation)의 정확도를 높일 수 있고 이를 이용하여 다음 슬롯에 수신되는 데이터를 복조할 수 있다. Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법으로 단말은 다음과 같이 기지국으로 데이터를 전송할 수 있다.

도 8은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 단말은 프리앰블 및 데이터 전송을 위해 무선 자원(예를 들어, 상향링크 무선 자원)의 설정 정보를 시스템 정보 및/또는 제어 메시지를 기지국으로부터 수신할 수 있다(S810). 수신된 설정 정보에 기초하여 단말은 프리앰블과 데이터를 동일 주파수 자원에서 연속적인 슬롯에서 전송할 있고, 데이터를 한 개 이상의 슬롯에 걸쳐 전송할 수도 있다(S820). 여기서, 슬롯은 프리앰블 또는 데이터가 무선 구간으로 전송되는 기본 시간 단위를 나타낼 수 있다. 단말은 기지국으로부터 수신한 응답을 기반으로 프리앰블을 이용한 데이터 전송을 성공적으로 종료 또는 재전송을 할 수 있다(S830).

Preamble 검출 또는 PUSCH 복조에 실패시 단말로 응답은 가지 않는다. 단말은 Preamble 전송 후 이에 대한 응답이 전송되어야 할 slot에 MsgB가 전송되지 않는 경우 다음 주기에 MsgA를 전송한다.

기지국으로부터 응답을 수신하지 못한 경우, 단말은 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 다시 시도할 수도 있고 도 5에 도시한 바와 같은 4단계 랜덤 액세스 절차를 이용하여 데이터 전송을 시도할 수도 있다.

통신 시스템은 무수히 많은 IoT 단말이 접속됨에 따라 급증하는 MTC(Machine Type Communication) 트래픽을 지원할 수 있어야 하고 간헐적이고 산발적으로 발생하는 MTC 트래픽의 전송 지연 시간을 줄일 수 있어야 한다. 이러한 조건들을 만족시키기 위해서 기지국은 상향링크에 Massive MIMO 안테나 기술을 적용하여 다수의 단말로부터 전송된 데이터를 수신하여 다음과 같이 복조할 수 있다. 여기서, 각 단말은 하나의 안테나를 사용하여 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법으로 데이터를 전송할 수 있다.

기지국은 Massive MIMO 환경에서 프리앰블을 이용하여 채널 추정을 정밀하게 산출할 수 있고, 상기 산출된 채널 추정을 기반으로 데이터를 복조할 수 있다. 동일한 슬롯 내에서 프리앰블과 데이터가 동시에 수신될 때 기지국은 해당 슬롯의 데이터를 이전 슬롯에서 전송된 프리앰블로부터 추정한 채널 벡터를 이용해 복조할 수 있고, 복조된 데이터를 수신된 신호에서 제거할 수도 있다.

기지국은 각 단말로부터 프리앰블과 데이터를 동일 시간 및 주파수 자원에서 수신할 수 있고, 각 단말은 데이터의 전송 슬롯 길이를 다르게 할당할 수도 있다. 이와 같이 프리앰블과 데이터가 시간/주파수 자원에서 공존하는 CoPD(Co-existing Preamble and Data) 방식은 프리앰블 ID 별 데이터의 자원 할당 방식을 적용하여 프리앰블이 충돌(collision)없이 기지국에서 수신되었을 때 프리앰블의 채널 추정을 이용하여 데이터의 복조를 수행할 수 있다. CoPD 방식이 적용된 기지국 수신장치는 다음과 같이 구성할 수 있다.

도 9는 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 기지국 수신 장치(900)의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

도 9를 참조하면, 기지국 수신 장치(900)는 데이터 버퍼(910), 프리앰블 검출기(920), 데이터 검출기(930)를 포함한다. 데이터 버퍼(910)은 수신 신호를 저장할 수 있고, 프리앰블 검출기(920)는 설정된 FDM 자원마다 최대 L개의 프리앰블 인덱스 검출과 채널 벡터를 추정할 수 있다. 프리앰블 검출기(920)는 검출된 FDM 인덱스 또는 프리앰블 인덱스와 함께 채널 벡터 및 해당 데이터 슬롯 길이를 데이터 검출기(930)에 전달할 수 있다.

기지국 수신 장치(900)는 PRACH 슬롯을 제외한 슬롯 s 구간에서 수신한 신호를 데이터 버퍼(910)에 저장할 수 있고, 이전 슬롯 s-1 구간에서 검출된 FDM 인덱스 또는 프리앰블 인덱스에 매핑된 채널 벡터와 해당 데이터 슬롯 길이를 이용하여 데이터를 검출할 수 있다. 성공적으로 검출된 데이터 신호는 SIC(successive interference cancellation)에 의해 데이터 버퍼(910)에서 제거될 수 있다. 프리앰블 검출기(920)는 SIC를 거친 수신 신호를 데이터 버퍼(910)로부터 전달받아 설정된 FDM 자원마다 프리앰블 인덱스 검출과 채널 벡터를 추정할 수 있다. 프리앰블 검출기(920)는 검출된 FDM 인덱스 또는 프리앰블 인덱스와 함께 채널 벡터 및 데이터 슬롯 길이를 데이터 검출기(930)에게 전달할 수 있다.

Massive MIMO 환경에서 CoPD 방식이 적용된 기지국 수신장치(900)는 다수의 단말로부터 송신된 데이터를 수신하여 다음과 같이 처리할 수 있다. 여기서, 단말은 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 이용하여 기지국으로 데이터를 전송할 수 있다.

도 10은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 기지국 수신 장치의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

도 10을 참조하면, 기지국은 단말로부터 수신된 프리앰블의 검출 여부를 확인할 수 있다(S1010). 단말로부터 수신된 프리앰블의 검출이 확인되면, 기지국은 상기 검출된 프리앰블을 이용하여 상기 단말로부터 전송된 데이터를 복조할 수 있는지 여부를 결정할 수 있다 (S1020). 기지국은 상기 검출된 프리앰블을 이용하여 상기 단말로부터 전송된 데이터를 성공적으로 복조할 수 있으면 상기 단말로 성공 응답을 전송할 수 있다(S1030).

Massive MIMO 환경에서 기지국은 다중 안테나로 다수의 단말로부터 수신이 가능하고 단말이 하나의 송신 안테나를 사용할 경우, 이상적인 채널 추정 환경에서 기지국의 안테나 개수가 무한으로 증가하면 성능도 증가할 수 있다. 그러나, 기지국 수신에서 안테나 패스 당 채널 추정 오류는 존재할 수 있고 이로 인해 안테나 개수가 증가해도 성능은 일정한 값으로 수렴할 수 있다. Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 성능은 기지국의 무선 접속 처리량(throughput)으로 나타낼 수 있고 수학적인 분석과 평가가 가능할 수 있다. 수학적인 분석을 위해 아래의 표 1과 같은 표기(notation)가 수학식에서 사용될 수 있다.

표기	내용
*	복소수 켤레(complex conjugate)
T	트랜스포즈(transpose)
H	헤미티안 트랜스포즈(Hermitian transpose)
E[]	기대값(statistical expectation)
Var[]	통계적 분산(statistical variance)
CN(μ, σ2)	평균 μ, 분산 σ2인 복소 가우시안 분포(complex Gaussian distribution)
X~Poi(λ)	평균 λ를 갖는 포아송 분포(Poisson distribution)

도 11에 도시된 바와 같이 프리앰블과 패킷의 전송 슬롯이 분리된 경우, Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 상향링크 송수신 관계는 수학식 1과 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 여기서, 수학식 1은 슬롯 s에서 수신된 프리앰블의 신호, 수학식 2는 슬롯 s+1에서 수신된 데이터 패킷의 신호를 나타낼 수 있다. 이때, 단말은 하나의 안테나를 사용하여 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법으로 데이터를 전송할 수 있고, 기지국은

개의 안테나를 사용하여 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 이용한 다수의 단말로부터 데이터를 수신할 수 있다. 아래 수식은 기지국에 수신된 신호를 도시화 한다.

여기서,

는 기지국 셀의 액티브 단말의 개수,

은 기지국의 안테나의 개수,

은 프리앰블 시퀀스 길이,

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 채널 벡터,

는 액티브 단말

의 전송 전력,

는 액티브 단말

의 프리앰블 인덱스,

는 액티브 단말

의 프리앰블,

은 잡음 행렬로,

는

번째 안테나에서

번째 프리앰블 심볼 지속 시간(preamble symbol duration)의 배경 잡음(background noise)으로

의 복소 정규 분포(complex normal distribution)를 갖는다.

는 잡음 스펙트럼 밀도(noise spectral density)를 나타낸다. 수학식 2는 Preamble 전송 후 다음 slot에서 Data packet의 수신 신호를 도시화 한다.

여기서,

는 기지국 셀의 액티브 단말의 개수,

은 기지국의 안테나의 개수,

는 패킷에서 심볼 지속 시간(symbol duration),

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 채널 벡터,

는 액티브 단말

의 전송 전력,

는 액티브 단말

의 프리앰블 인덱스,

는 프리앰블 인덱스에 매핑된 액티브 단말

의 데이터 패킷,

는 잡음 행렬로,

는

번째 안테나에서

번째 데이터 심볼 지속 시간의 잡음으로

의 복소 정규 분포를 갖는다.

는 잡음 스펙트럼 밀도를 나타낸다.

기지국은 다수의 단말로부터 슬롯 s에서 수신한 신호(

, 수학식 1)에 대해, 프리앰블 검출과 채널 벡터 계산을 위해 수학식 3의 연산을 수행할 수 있다. 프리앰블들은 서로 직교하므로 수학식 3은 수학식 4와 같이 단순화될 수 있다.

여기서,

는 기지국 셀의 액티브 단말의 개수로 단말

가 전송한 프리앰블은 인덱스

간 orthogonal한 특성을 갖는다.

은 프리앰블의 개수,

는 인덱스

의 프리앰블,

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 채널 벡터,

는 액티브 단말 k의 전송 전력,

는 크로네컬 델타(Kronecker Delta)(

이면 1, 그렇지 않다면 0 이다.)이고,

은 프리앰블

을 선택한 액티브 단말의 인덱스 집합(index set),

은 배경 잡음을 나타낼 수 있다.

여기서,

는 액티브 단말

의 전송 전력,

은 프리앰블

의 배경 잡음으로

의 분포를 갖는다.

은 평균이 0이고, 분산이

인 복소 정규 분포를 나타낸다.

다수의 단말로부터 슬롯 s+1에서 기지국이 수신한 데이터 패킷은 슬롯 s에서전송한 프리앰블에 매핑되어 있으므로, 수학식 3과 수학식 4에서 검출된 프리앰블및 채널 벡터를 적용하여, 수학식 5와 같이 복조될 수 있다.

여기서,

은 수신 신호로부터 프리앰블

을 적용해 검출한 신호 벡터,

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 채널 벡터,

는 액티브 단말

의 전송 전력,

는 프리앰블

에 매핑된 액티브 단말

의 데이터 패킷,

은 프리앰블

이 아닌 다른 프리앰블이 할당된 다른 액티브 단말,

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 채널 벡터,

는 액티브 단말

의 송신 전력,

은 액티브 단말

의 데이터 패킷,

는 잡음 행렬로,

는

번째 안테나에서

번째 데이터 심볼 지속 시간의 잡음으로

의 복소 정규 분포를 갖는다.

는 잡음 스펙트럼 밀도를 나타낸다.

번째 액티브 단말의 수신 전력이

번째 액티브 단말의 수신 전력보다 크다.

액티브 단말과 기지국 간의 거리를 고려하면, 액티브 단말

에서 기지국 경로의 채널 벡터

는 수학식 6과 같이 모델링할 수 있다.

여기서,

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 경로 손실(pass loss)과 음영 페이딩(shadow fading)을 포함하는 대규모 페이딩 계수(large-scale fading coefficient),

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 소규모 페이딩 벡터(small-scale fading vector)를 나타낸다.

대규모 페이딩 계수

는 전력 제어(power control)을 통해

로 대체될 수 있고 수학식 7과 같은 관계식으로 표현할 수 있다.

여기서,

는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 채널 벡터,

는 액티브 단말

의 전송 전력,

는 수신 평균 전력,

는 액티브 단말

에서 기지국 경로 상의 소규모 페이딩 벡터를 나타내고

를 만족한다.

도 12에 도시된 바와 같이 프리앰블과 데이터(패킷)의 전송 슬롯이 공유된 경우, 기지국은 슬롯 s+1에서

개의 프리앰블을 수신할 수 있고

개의 데이터 패킷을 수신할 수 있다. 따라서, 기지국의 수신신호(

)는 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. 이때, 기지국은

개의 프리앰블을 검출할 수 있고,

개의 데이터 패킷을 복조할 수 있다. 슬롯 s+1에서 적용되는 채널 계수(channel coefficient)는 슬롯 s에서 추정한 채널 벡터를 적용해 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 단말은 하나의 안테나를 사용하여 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법으로 데이터를 전송할 수 있고, 기지국은

개의 안테나를 사용하여 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 이용한 다수의 단말로부터 데이터를 수신할 수 있다.

여기서,

는 수신 평균 전력,

는 프리앰블의 개수,

는 프리앰블을 전송하는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 소규모 페이딩 벡터,

는 액티브 단말

의 프리앰블 인덱스,

는 액티브 단말

의 프리앰블,

는 데이터 패킷의 개수,

는 데이터 패킷

에서 기지국 경로의 소규모 페이딩 벡터,

는 데이터 패킷,

은 잡음 행렬로,

는

번째 안테나에서

번째 프리앰블 심볼 지속 시간의 배경 잡음으로

의 복소 정규 분포를 갖는다.

는 잡음 스펙트럼 밀도를 나타낸다.

여기서,

는 수신 평균 전력,

는 슬롯 s에서 추정한 벡터,

는 슬롯 s에서 추정한 채널 계수를 나타내며

의 복소 정규 분포를 따른다.

는 배경 잡음과 간섭의 분산이다.

도 12에 도시된 바와 같이 프리앰블과 데이터(패킷)의 전송 슬롯이 공유된 경우, 슬롯 s+1에서 수신 신호(

)는 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. 슬롯 s+1의 수신 신호서 복조된 데이터 패킷 신호를 모두 제거하면, 슬롯 s+1의 프리앰블 수신 신호(

)는 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 데이터 패킷이 제거된 수신 신호로부터 프리앰블을 검출할 수 있고 채널 벡터를 추정할 수 있다.

여기서,

는 수신 신호,

는 데이터 패킷의 개수,

는 데이터 패킷

에 적용되는 채널 계수,

는 복조된 데이터 패킷

,

는 수신 평균 전력,

는 프리앰블의 개수,

는 프리앰블을 전송하는 액티브 단말

에서 기지국 경로의 소규모 페이딩 벡터,

는 액티브 단말

의 프리앰블 인덱스,

는 액티브 단말

의 프리앰블,

는 데이터 패킷

의 직전 슬롯에서 추정한 채널 벡터,

은 배경 잡음을 나타낸다.

도 11은 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원 분리의 일 실시예를 도시한 개념도이다.

도 11을 참조하면, Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원 분리의 일 실시예는 프리앰블과 데이터는 주파수 자원을 공유할 수 있고 시간 자원을 공유하지 않을 수 있다. 프리앰블과 데이터(패킷)는 쌍을 이루어 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법으로 전송될 수 있다.

도 12는 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원 공유의 일 실시예를 도시한 개념도이다.

도 12를 참조하면, Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원 공유의 일 실시예는 프리앰블과 데이터의 주파수 자원뿐만 아니라 시간 자원도 공유하여 전송될 수 있다. 따라서, 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법에서 프리앰블과 데이터(패킷)는 동일한 시간/주파수 자원을 이용하여 전송될 수 있다.

주파수 자원과 시간 자원을 공유한 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법은 주파수 자원 자원과 시간 자원을 분리하여 전송하는 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법보다 무선 접속 처리량이 최대 4배가 될 수 있다. 상기 데이터 전송 방법은 데이터와 프리앰블이 동시에 전송될 때 최적의 무선 접속 처리량을 위한 프리앰블의 길이, 데이터의 길이를 결정할 수 있다. 또한, 하나의 프리앰블로 추정한 채널 계수를 이용하여 복조 가능한 최적의 데이터 패킷의 길이도 결정할 수 있다.

무선 접속 처리량 분석에서 표 1에 상술된 표기와 함께 아래의 표 2와 같은 표기는 적용될 수 있다.

표기	내용
M	안테나 개수
T	슬롯 길이
L	프리앰블의 개수
N	프리앰블 시퀀스 길이
R	심볼 당 비트 수
D	데이터(패킷)의 심볼 지속 시간(symbol duration)
λ	슬롯 당 신규 액티브 단말의 평균 개수로 포아송 분포를 따름
K	기지국 셀의 액티브 단말의 개수
A	프리앰블 충돌(preamble collision)이 없는 액티브 단말의 개수
B	액티브 단말 당 패킷의 개수
	프리앰블 을 선택한 액티브 단말의 개수
	가 주어졌을 때, 프리앰블 을 선택한 액티브 단말의 개수가 1인 조건

Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 적용한 기지국의 무선 접속 처리량은 프리앰블의 충돌없이 전송 가능한 평균 데이터 전송률로 정의할 수 있다. 기지국 셀의 액티브 단말과 프리앰블 충돌이 없는 액티브 단말은 변수(random variable)이다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 분리된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법에서 상기 처리량은 기대 값과 슬롯에서 전송 가능한 총 비트 수(

)를 곱한 값으로 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 프리앰블 충돌이 없는 액티브 단말의 개수,

는 기지국 셀의 액티브 단말,

은 심볼 당 비트 수,

는 데이터(패킷) 심볼 지속 시간,

는 슬롯의 길이를 나타낸다.

기지국 셀의 액티브 단말에서 프리앰블

을 선택할 확률은 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 기지국 셀의 액티브 단말은 하나의 안테나를 사용하여 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법으로 데이터를 전송할 수 있고, 기지국은

개의 안테나를 사용하여 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 이용한 다수의 단말로부터 데이터를 수신할 수 있다.

여기서,

은 프리앰블

을 선택한 액티브 단말의 개수,

는 기지국 셀의 액티브 단말의 개수,

은 프리앰블의 개수,

는 기지국 셀의 액티브 단말에서 프리앰블

을 선택한 단말의 개수가 1인 경우의 수,

은 프리앰블

선택에 성공할 확률,

은 프리앰블 인덱스

선택에 실패할 확률이다.

기지국 셀의 액티브 단말들 중에서 프리앰블 충돌이 발생하지 않는 액티브 단말들은 수학식 13와 같은 확률 평균을 가질 수 있다.

기지국 셀의 액티브 단말들은 독립 변수로 나타낼 수 있고, 기지국 셀의 액티브 단말의 개수는 포아송 분포를 따른다(

). 기지국에서 지원하는 무선 접속 처리량은 수학식 13과 포아송 분포를 적용하여 수학식 14와 같이 근사화될 수 있고, 상기 처리량은

일 때 상한(upper bound)일 수 있다.

기지국에서 지원하는 무선 접속 처리량은 아래 수학식 15에서 최대값이 되는 조건을 만족시켰을 때 최대가 될 수 있다. 수학식 15는

일때 최대값이 될 수 있고

,

로 나타낼 수 있다.

도 12에 도시된 Massive MIMO 환경에서 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법의 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원 공유의 일 실시예는 프리앰블과 데이터(패킷)의 길이를 같게 설정할 수 있다. 또한, 프리앰블과 하나의 데이터(패킷) 길이가 슬롯 길이 T를 동일하게 설정할 수 있다. 여기서, 슬롯 길이 T는 프리앰블과 데이터(패킷)의 길이가 같은 2단계 랜덤 액세스의 시간 단위를 의미할 수 있다.

인 조건에서, 수학식 12는 아래와 같이 수학식 16으로 나타낼 수 있다.

로 수학식 14이 근사화되면 수학식 17과 같이 정리될 수 있다. 이때, 기지국에서 지원하는 무선 접속 처리량은 하나의 데이터(패킷) 구간만을 가정할 수 있다.

수학식 14와 수학식 17를 비교하면 기지국에서 지원하는 최대 무선 접속 처리량은

와

일 때 4배 차이가 발생할 수 있다. 채널 추정 에러가 발생하지 않는다고 가정하면, 상기 처리량은

에 수렴할 수 있다. 주파수 자원과 시간 자원을 공유한 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법은 주파수 자원 자원과 시간 자원을 분리하여 전송하는 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법보다 무선 접속 처리량이 최대 4배가 될 수 있다.

그룹(예를 들어, 도 6에 도시된 프리앰블 그룹1, 프리앰블 그룹2 및/또는 도7에 도시된 프리앰블 FDM1, 프리앰블 FDM2)에 설정된 데이터(패킷)의 길이가 1 이상일 때 슬롯 s에서 다수의 데이터(패킷)에서 하나의 액티브 단말의 데이터(패킷)은 다음과 같이 검출될 수 있다.

수학식 11로부터 하나의 슬롯 구간에서 수신 받을 수 있는 비트의 평균 값은 수학식 22와 수학식 23으로 나타낼 수 있다.

수학식 23은

일 때, 멀티 데이터(패킷) 전송에서 기지국이 지원하는 무선 접속 처리량을 나타낼 수 있다. 수학식 14, 수학식 17, 수학식 23은 슬롯 내 프리앰블 길이, 데이터(패킷) 길이와 슬롯 단위로 전송되는 데이터(패킷)의 상기 무선 접속 처리량을 비교할 수 있다.

프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 공유된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법은 수학식 14, 수학식 15 및 수학식 23을 기반으로 도 12에 도시한 바와 같이 같은 길이의 프리앰블과 데이터(패킷)의 자원을 배치할 수 있다. 이때, 프리앰블과 데이터(패킷)은 동일한 주파수 자원을 이용할 수 있다. 안테나 개수 M가 무관하게 상기의 수학식들로부터 도출된 최대 무선 접속 처리량은 Massive MIMO 환경에서 안테나 개수에 따른 데이터(패킷) 복조 확률이 더 고려될 수 있다.

도 13 ~ 도 14은 T=L=D=30인 경우 데이터(패킷) 개수(B)에 따른 성능 비교 결과를 나타낼 수 있다.

도 13a는 T=L=D=30, B=1일 때

에 따른 검출된 데이터(패킷)의 평균 값(

)을 도시한 개념도이고, 도 13b은 T=L=D=30, B=1일 때 타임 슬롯에 따른 채널 추정 에러 분산 결과를 도시한 개념도이다.

도 13을 참조하면,

일 때 도 14와 비교하여 발산되지 않음을 보여줄 수 있다.

도 14a는 T=L=D=30, B=5일 때

에 따른 검출된 데이터(패킷)의 평균 값(

)을 도시한 개념도이고, 도 14b은 T=L=D=30, B=5일 때 타임 슬롯에 따른 채널 추정 에러 분산 결과를 도시한 개념도이다.

도 14를 참조하면,

이고

가 30을 넘는 경우

가 20~40까지는 채널 추정 에러의 분산 값이 발산될 수 있음을 보여줄 수 있다.

도 15는 T=L=D=30, B=1일 때

에 따른 무선 접속 처리량(Throughput)과 임계 값(Upper bound)을 도시한 개념도이다.

도 15를 참조하면, 도 11에 도시한 바와 같이 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 분리된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법에서 기지국이 지원하는 무선 접속 처리량은

가 15일 때 최대값을 가질 수 있다. 반면, 도 12에 도시한 바와 같이 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 공유된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법에서 기지국이 지원하는 무선 접속 처리량은

가 30일 때 최대값을 가질 수 있다. 여기서, Simulation, CoPD는 도 12에 도시한 바와 같이 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 공유된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 적용한 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있고, Simulation, Conv는 도 11에 도시바와 같이 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 분리된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 적용한 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있다.

도 16은 T=L=D=30, B=1,4,5일 때

에 따른 무선 접속 처리량(Throughput)과 임계 값(Upper bound)을 도시한 개념도이다.

도 16를 참조하면, 도 12에 도시한 바와 같이 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 공유된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법에서 기지국이 지원하는 무선 접속 처리량은 B 값이 증가할수록 커질 수 있고

> L인 영역에서는 발산할 수 있다. 여기서, Simulation, CoPD는 도 12에 도시한 바와 같이 프리앰블과 데이터 전송 슬롯 자원이 공유된 2단계 랜덤 액세스 절차 및 방법을 적용한 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있다.

본 출원에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상 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. 통신 시스템에서 제1 단말의 동작 방법으로서,
   기지국으로부터 랜덤 액세스 절차를 위한 무선 자원의 설정 정보를 수신하는 단계;
   상기 설정 정보에 기초하여 제1 슬롯과 주파수 자원을 획득하는 단계; 및
   상기 제1 슬롯에서 상기 주파수 자원을 이용하여 제1 RA 프리앰블을 전송하고, 상기 제1 슬롯 직후의 하나 또는 복수의 슬롯에서 상기 주파수 자원을 이용하여 제1 RA 페이로드를 전송하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 RA 프리앰블은 상기 제1 단말의 제2 RA 페이로드 또는 상기 제1 단말이 아닌 제2 단말의 제3 RA 페이로드와 동일한 시간/주파수 자원에서 전송되는 것을 특징으로 하는,
   제1 단말의 동작 방법.

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