WO2010126297A2 - 릴레이 통신 시스템에서 자원관리 방법 및 장치와 이를 이용한 데이터 중계 방법 및 장치 - Google Patents

릴레이 통신 시스템에서 자원관리 방법 및 장치와 이를 이용한 데이터 중계 방법 및 장치 Download PDF

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Definitions

  • the QoS requirement of the aggregated packet class includes a delay requirement and a FER requirement
  • the delay requirement of the aggregated packet ( ) Is the delay requirement of certain packets having a certain percentile among the delay requirements of n specific packets.
  • the loss compensation coefficient ⁇ from the mean value of It is characterized in that it is determined as.
  • the integrated packet data transmission method of the relay station for achieving the above object, in the data transmission method of the relay station (Relay Station) in a multi-hop relay communication system Determining a data integration method for integrating a plurality of packet data received from a terminal in a predetermined manner and transmitting the same to a base station; Receiving packet data from a terminal and classifying and storing the packet data into at least one integrated packet class according to the determined data integration scheme; Determining a Quality of Service (QoS) requirement and a Modulation and Coding Scheme (MCS) level of the stored aggregated packet class; Calculating a required resource according to the determined MCS level and requesting a base station to allocate the resource; Receiving a resource from the base station, and classifying and mapping an area of resources allocated from the base station according to the aggregated packet class according to the traffic amount and the MCS level of the aggregated packet class; And transmitting location and MCS level information of a resource mapped with the integrated packet class to the base station through an
  • the communication system of the present invention is a system for providing various communication services such as voice and packet data, and includes a base station, a relay node, and a terminal.
  • the IEEE802.16 system will be described as a representative example.
  • the FER requirement of the relay station and the base station link can be expressed as follows.
  • the size of the total required band (Q i : total required band of the repeater i) is a required band estimate for real-time traffic ( ) And queue occupancy estimates for non-real time traffic ( ) Is the sum of Thus, the resources allocated to repeater i Is determined.
  • R is the total size of resources allocated by the base station for the repeaters
  • Q is the sum of the total required bandwidth sizes of the repeaters ( )to be.
  • the estimated bandwidth estimate at the next window time is determined by the traffic amount estimates of the repeaters every window time.
  • the estimated bandwidth demand for real-time traffic of repeater i at window time t is expressed by the following equation.
  • the base station When the base station receives the reassignment request message, the base station updates the virtual band information of the corresponding repeater received from the reassignment request message to the virtual band information received from the repeaters in the previous window time, and reallocates resources, and R-MAP (Relay). -MAP) to inform each repeater. Through this process, even if the traffic suddenly increases in a specific repeater, it can respond immediately.
  • R-MAP Relay

Abstract

본 발명은 다중홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 통신시스템에서 중계국(Relay Station)의 데이터 전송 방법에 관한 것으로서, 단말(Mobile Station)로부터 수신되는 다수의 패킷(Packet) 데이터를 소정 방식으로 통합(Aggregation)하여 기지국(Base Station)으로 전송하기 위한 데이터 통합 방식을 결정하는 단계; 상기 단말로부터 패킷 데이터를 수신하여 상기 결정된 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하는 단계; 상기 저장된 통합 패킷 클래스의 QoS(Quality of Service) 요구조건 및 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계; 상기 결정된 MCS 레벨에 따라서 필요한 자원을 산출하고 기지국으로 상기 자원의 할당을 요청하는 단계; 상기 기지국으로부터 자원을 할당 승인 메시지를 수신하고, 상기 통합 패킷 클래스를 변조, 코딩 및 상기 할당된 자원에 매핑(Mapping)하여 통합 패킷을 구성하는 단계; 및 상기 구성된 통합 패킷을 상기 기지국으로 전송하는 단계를 포함하는 중계국의 데이터 전송 방법을 제공한다.

Description

릴레이 통신 시스템에서 자원관리 방법 및 장치와 이를 이용한 데이터 중계 방법 및 장치
본 발명은 멀티홉 릴레이 시스템에 관한 것으로, 중계국과 기지국 사이의 상향링크 데이터 전송에서의 무선자원 관리 기법과, 중계국이 단말로부터 수신한 패킷을 QoS (Quality of Service) 요구조건에 따라서 클래스 별로 분류하여 통합 패킷으로 재구성하고 기지국으로 효율적으로 전송하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 무선통신 시스템은 고속 데이터 통신을 원활히 지원하고 더 많은 통화량을 수용하기 위해 서비스 주파수 대역을 점점 높이고 셀 반경은 점차 줄이고 있어서, 기존의 중앙집중적인 셀룰러 무선망 방식을 향후에도 그대로 운용하기에는 많은 문제가 존재한다. 즉, 기지국의 위치가 고정된 종래의 방식에서는 무선링크 구성의 유연성이 떨어지므로 트래픽 분포나 통화 요구량의 변화가 심한 무선환경에서 효율적인 통신 서비스를 제공하기 어렵다.
따라서, 차세대 통신시스템은 분산적으로 제어되고 구축되면서도, 새로운 기지국의 추가와 같은 환경 변화에 능동적으로 대처할 수 있어야 한다. 이와 같은 문제점을 해결하고자 다중홉 릴레이(Multi-Hop relay) 시스템이 제안되었다. 다중홉 릴레이 시스템은 셀 영역 내에서 발생하는 부분적인 음영 지역을 커버하여 셀 서비스 영역을 넓힐 수 있으며, 시스템 용량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 서비스 요구가 적은 초기 상황을 릴레이(Relay, 이하 "중계국"이라 함)를 이용함으로써 초기 설치 비용에 대한 부담을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 다중 홉 셀룰러 시스템을 도시한 도면이다.
다중 홉 셀룰러 시스템은 단말(Mobile Station; MS)이 기지국(Base Station; BS)으로부터 멀리 떨어져 있거나 건물 등의 장애물에 의하여 신호 전송이 원활하지 않은 경우, 중계국(Relay Station; RS)을 통하여 단말의 신호를 기지국으로 중계함으로써 셀의 커버리지(Coverage)를 증대시키고 음영지역을 해소할 수 있다. 도시된 바와 같이, 기지국(101)과 단말(133, 135, 137, 139)간에 Two-Hop으로 링크가 구성되도록 중계망을 구성한 경우, 1차적으로는 단말(133, 135, 137, 139)과 중계국(121)간의 링크를 통해서 단말의 신호를 중계국으로 전달하고, 중계국(121)은 복수의 단말로부터 패킷 데이터를 수신하여 2차적으로 중계국(121)과 기지국(101)간의 링크를 통하여 단말로부터 전달받은 신호(141, 143, 145, 147)를 기지국(101)으로 중계한다.
도 1과 같이 중계국(121)을 사용하게 되면 종래 기지국(101)과 단말(131)간의 직접 링크(direct link)를 통한 데이터 송수신과 비교하여, 단말(133, 135, 137, 139)-중계국(121) 및 중계국(121)-기지국(101) 별로 각각 자원을 나누어 사용해야 한다. 또한, 중계국(121, 123)이 다수 존재할 경우 중계국 별로 자원을 나누어 사용하여야 하기 때문에 자원 사용이 보다 제한적이게 된다. 이와 같이 중계국(121)을 사용하는 시스템에서는 자원할당 및 자원 요청의 과정이 기지국(101)과 단말(131)간의 직접링크를 이용하는 시스템과 비교하여 상당히 복잡하며 많은 시그널링 오버헤드(Signaling Overhead)가 요구된다. 따라서, 도 1과 같이 중계국(121)이 다수 단말(133, 135, 137, 139)의 패킷(141, 143, 145, 147)을 처리해야 하는 경우에는 자원 효율이 떨어지고 지연이 길어지는 단점이 발생한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 중계국(121)이 단말들(133, 135, 137, 139)로부터 수신한 패킷 데이터(141, 143, 145, 147)의 통합을 수행하여 기지국(101)으로 전달하는 방안을 고려할 수 있다.
그러나 도시된 바와 같이 중계국(121)은 자신의 영역에 속한 다수의 단말(133, 135, 137, 139)으로부터 다양한 패킷(141, 143, 145, 147)을 수신하여 이를 기지국(101)으로 중계할 때, 다수의 단말들(133, 135, 137, 139) 각각이 이용하는 서비스가 단순한 음성통신뿐만 아니라 VoIP(141), 데이터 스트리밍(143), 메신저(145), FTP(File transfer protocol, 147), 웹검색, 화상회의 서비스 등 다양하게 존재하므로, 단말(133, 135, 137, 139)들이 전송하는 패킷(141, 143, 145, 147)들은 서비스 종류에 따라서 요구되는 QoS(Quality of Service)가 다양하게 존재할 수 있다. 따라서, 중계국(121)이 단말로부터 수신한 패킷들을 단순 통합하여 기지국(101)으로 중계하는 경우는 통합된 패킷 내의 다양한 서비스에 대한 QoS 요구조건을 만족하지 못할 뿐만 아니라, 통합 패킷의 프레임 전송 에러가 발생한 경우 에러가 발생한 프레임의 재전송을 위한 HARQ(Hybrid Automatic Retransmission request)와 같은 데이터 재전송 기법을 적극 활용할 수 없는 문제점이 발생한다.
도 2는 다수 단말들(133, 135, 137, 139)로부터 다양한 패킷(141, 143, 145, 147)을 수신한 중계국(121)이 자신의 큐(queue, 200)에 쌓인 해당 패킷들(201, 203, 205, 207)을 통합 절차 없이 각각 개별적으로 기지국(101)으로 중계하는 방식을 나타낸 도면이다. 중계국(121)은 단말로부터 수신한 패킷을 도시된 바와 같이 자신의 큐(200)에 쌓아놓고 전송시간 간격(Transmission Time Interval; TTI)을 고려하여 패킷들(201, 203, 205, 207)을 개별적으로 기지국(101)으로 전달한다. 중계국이 기지국으로 패킷을 전송하기 위해서는 기지국으로 자원을 요청하여 할당 받는 과정이 필요하며, 전송하는 데이터의 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨, 데이터의 주소(Address) 정보 및 중계국 자신의 ID(RSID) 등을 별도의 시그널링(Signaling) 절차를 통해서 기지국으로 알려주어야 한다. 그런데, 도 2와 같이 기지국으로 전송할 패킷들(201, 203, 205, 207)을 각각 개별적으로 전송할 경우 이들 패킷 모두에 대해서 별도로 자원을 할당받아야 하며, 패킷 각각에 대해서 변조 및 코딩을 수행해야 하는 바, 패킷 처리과정의 복잡도가 증가하게 되고, 시그널링 오버헤드 및 지연이 발생하게 된다.
IEEE 802.16j 표준에서는 중계국-기지국 링크에 대해서 크게 2가지의 다중 접속 방식, 즉 스케쥴링 방식과 전용 채널 할당 방식이 제안되어 있다.
스케쥴링 방식은 채널에 적응적으로 운용하여 자원을 효율적으로 사용할 수 있는 반면, 자원 요청 및 할당 과정으로 인해 오버헤드와 지연이 커질 수 있다. 더구나 스케쥴링 방식에 따르면, 단말이 상향링크, 즉 기지국으로 데이터를 송신하기 전에, 미리 자원 요청 및 할당 과정을 거쳐야 하기 때문에 접속 지연과 시그널링 오버헤드가 크다. 또한, 기존의 스케쥴링 방식을 단말-중계국 링크 뿐만 아니라, 중계국-기지국 링크에도 적용하면, 자원 요청 및 할당 과정이 중계국과 기지국에 의해서 반복적으로 수행되어야 하기 때문에, 접속 지연과 시그널링 오버헤드는 훨씬 심각하게 된다. 또한, 상기 스케쥴링 방식 중 중앙집중식 스케쥴링 방식과 지연 감소 분산식 스케쥴링 방식은 중계국에서 개별 트래픽의 병합(aggregation)이 고려되지 않아서, 단말의 요청 하나에 대해 기지국까지의 자원 할당 및 데이터 전송이 개별적으로 이루어 진다. 이러한 개별 전송은 중계국에서의 병합(aggregation) 전송에 비해서 효율성이 떨어져서 시그널링 오버헤드를 증가시키게 된다.
또한, 중계국에서의 트래픽은 각 중계국에 소속된 단말들의 트래픽이 병합되기 때문에 트래픽의 양이 단말에 비해서 크고, 변화도는 상대적으로 작음에도 불구하고, 기존의 스케쥴링 방식은 이러한 중계국-기지국 채널의 특성이 반영되지 않고, 중계국-기지국 링크의 채널과 트래픽 양의 변화도가 작음에도 불구하고, 단순히 반복적으로 중계국과 기지국에서 스케쥴링을 수행하기 때문에 앞서 언급한 것처럼 시그널링 오버헤드와 접속 지연이 커지는 단점을 가지고 있다.
반면, 전용채널할당 방식은 전용으로 할당 받은 자원을 이용하여 추가적인 시그널링 없이 즉시 데이터를 전송할 수 있기 때문에 오버헤드와 지연을 줄일 수 있으나, 매번 채널에 적응적으로 운용할 수 없기 때문에 자원 사용에 있어 비효율적일 수 있다. 또한, 전용채널할당 방식은 스케쥴링 방식과 같이, 기지국에 포함된 전체 중계국을 기준으로 자원 할당이 이루어지는 것이 아니라, 개별 중계국의 자원 요청에 따라 할당으로 이루어지고, 실시간성과 비실시간성 트래픽의 특성을 별도로 고려하지 않기 때문에 자원 사용이 비효율적으로 이루어지는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같이 중계국에서 단말로부터 수신한 데이터를 개별적으로 기지국으로 전달할 경우 발생하는 시그널링 오버헤드 및 지연 발생을 방지하고 자원 효율을 높이기 위하여, 중계국이 단말로부터 수신한 데이터를 QoS 요구조건을 고려하여 효율적으로 통합하고 기지국으로 전달하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래의 스케쥴링 기반 다중접속 방식과 전용 채널 할당 방식 기반의 다중 접속 방식의 문제점인 오버헤드, 지연으로 인한 비효율성을 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 중계국의 통합 패킷 데이터 전송 방법은, 다중홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 통신시스템에서 중계국(Relay Station)의 데이터 전송 방법에 있어서, 단말로부터 수신되는 다수의 패킷(Packet) 데이터를 소정 방식으로 통합하여 기지국으로 전송하기 위한 데이터 통합 방식을 결정하는 단계; 단말로부터 패킷 데이터를 수신하여 상기 결정된 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하는 단계; 상기 저장된 통합 패킷 클래스의 QoS(Quality of Service) 요구조건 및 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계; 상기 결정된 MCS 레벨에 따라서 필요한 자원을 산출하고 기지국으로 상기 자원의 할당을 요청하는 단계; 상기 기지국으로부터 자원 할당을 승인받고, 상기 통합 패킷 클래스를 변조, 코딩 및 상기 자원에 매핑(Mapping)하여 통합 패킷을 구성하는 단계; 및 상기 구성된 통합 패킷을 상기 기지국으로 전송하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 데이터 통합 방식 결정 단계에서 결정되는 상기 데이터 통합 방식은, 데이터 지연 요구조건 및 FER(Frame Error Ratio) 요구조건을 기준으로 구성되는 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 통합 패킷 클래스의 QoS 요구조건은 지연 요구조건 및 FER 요구조건을 포함하며, 상기 통합 패킷의 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000001
)은 n개의 특정 패킷들의 지연요구 조건 중 소정 percentile(백분위율)을 갖는 특정 패킷들의 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000002
)의 평균값에서 손실 보상 계수(α)를 고려한 다음 수학식,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000003
과 같이 결정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 통합 패킷 클래스의 QoS 요구조건 및 MCS 레벨 결정 단계는, HARQ (Hybrid Automatic Retransmission request)를 위한 최대 허용 재전송 횟수를 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 최대 허용 재전송 횟수는 중계국-기지국 링크에서 한 프레임을 전송하는데 소모되는 전송지연(transmission delay)과, 중계국-기지국 링크에서 한 프레임의 전송을 처리하는데 소요되는 처리지연(processing delay)과, 중계국에서 해당 패킷을 서비스하기까지 대기한 지연 시간을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 MCS 레벨 결정은,상기 최대 허용 재전송 횟수
Figure PCTKR2010002672-appb-I000004
및 상기 FER 요구조건을 모두 고려하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 통합 패킷 구성 단계는, 상기 기지국에서 상기 할당된 자원 영역에서 상기 통합 패킷에 포함된 적어도 하나 이상의 상기 통합 패킷 클래스가 매핑될 위치를 지정하여 하향링크 맵(Downlink MAP)을 통해서 상기 중계국으로 알려주는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 중계국의 통합 패킷 데이터 전송 방법은, 다중홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 통신시스템에서 중계국(Relay Station)의 데이터 전송 방법에 있어서, 단말로부터 수신되는 다수의 패킷(Packet) 데이터를 소정 방식으로 통합하여 기지국으로 전송하기 위한 데이터 통합 방식을 결정하는 단계; 단말로부터 패킷 데이터를 수신하여 상기 결정된 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하는 단계; 상기 저장된 통합 패킷 클래스의 QoS(Quality of Service) 요구조건 및 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계; 상기 결정된 MCS 레벨에 따라서 필요한 자원을 산출하고 기지국으로 상기 자원의 할당을 요청하는 단계; 상기 기지국으로부터 자원을 할당 받아, 상기 통합 패킷 클래스의 트래픽 양과 MCS 레벨에 따라서 상기 통합 패킷 클래스 별로 상기 기지국으로부터 할당된 자원의 영역을 구분하여 매핑하는 단계; 및 상향링크 맵(Uplink MAP)을 통해서 상기 통합 패킷 클래스가 매핑(Mapping)된 자원의 위치 및 MCS 레벨 정보를 상기 기지국으로 전송하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 데이터 통합 방식 결정 단계에서 결정되는 상기 데이터 통합 방식은 데이터 지연 요구조건 및 FER(Frame Error Ratio) 요구조건을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 통합 패킷 클래스의 QoS 요구조건은 지연 요구조건 및 FER 요구조건을 포함하며, 상기 통합 패킷의 지연 요구조건 (
Figure PCTKR2010002672-appb-I000005
)은 n개의 특정 패킷들의 지연요구 조건 중 소정 percentile(백분위율)을 갖는 특정 패킷들의 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000006
)의 평균값에서 손실 보상 계수(α)를 고려한 다음 수학식,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000007
과 같이 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 통합 패킷 클래스의 QoS 요구조건 및 MCS 레벨 결정 단계는, HARQ (Hybrid Automatic Retransmission request)를 위한 최대 허용 재전송 횟수를 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 최대 허용 재전송 횟수는 중계국-기지국 링크에서 한 프레임을 전송하는데 소모되는 전송지연(transmission delay)과, 중계국-기지국 링크에서 한 프레임의 전송을 처리하는데 소요되는 처리지연(processing delay)과, 중계국에서 해당 패킷을 서비스하기까지 대기한 지연 시간을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 MCS 레벨 결정은, 상기 최대 허용 재전송 횟수
Figure PCTKR2010002672-appb-I000008
및 상기 FER 요구조건을 모두 고려하여 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 중계국의 통합 패킷 데이터 전송 장치는, 다중홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 통신시스템에서 단말의 데이터를 중계하여 기지국으로 전송하는 데이터 전송 장치에 있어서, 상기 단말 및 기지국으로부터 데이터를 송수신하는 송수신기; 상기 단말 및 기지국으로부터 송수신된 데이터 및 상기 단말로부터 수신된 다수의 패킷 데이터를 소정 방식으로 통합하여 기지국으로 전송하기 위한 소정 데이터 통합 방식이 저장된 메모리; 및 상기 단말로부터 수신된 데이터를 상기 기지국으로 전송하기 위하여 통합 패킷을 구성하고 데이터 송수신을 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 송수신기로 수신된 패킷 데이터를 상기 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하고, 상기 통합 패킷 클래스를 변조 및 코딩하여 상기 통합 패킷을 구성하여 상기 송수신기를 통해서 상기 기지국으로 전송하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어기는 데이터 지연 요구조건 및 FER(Frame Error Ratio) 요구조건을 기준으로 적어도 하나 이상의 상기 통합 패킷 클래스를 포함하는 상기 데이터 통합 방식을 결정하여 상기 메모리에 저장하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어기는 상기 통합 패킷 클래스의 지연 요구조건 및 FER 요구조건을 결정하며, 상기 통합 패킷의 지연 요구조건
Figure PCTKR2010002672-appb-I000009
은 n개의 특정 패킷들의 지연요구 조건 중 소정 percentile(백분위율)을 갖는 특정 패킷들의 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000010
)의 평균값에서 손실 보상 계수(α)를 고려한 다음 수학식,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000011
과 같이 결정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어기는 통합 패킷의 HARQ (Hybrid Automatic Retransmission request)를 위한 최대 허용 재전송 횟수를 결정하며, 상기 최대 허용 재전송 횟수는 중계국-기지국 링크에서 한 프레임을 전송하는데 소모되는 전송지연(transmission delay)과, 중계국-기지국 링크에서 한 프레임의 전송을 처리하는데 소요되는 처리지연(processing delay)과, 중계국에서 해당 패킷을 서비스하기까지 대기한 지연 시간을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 기지국과 중계국 간의 링크에서 효율성을 높이기 위한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중계국-기지국 간의 링크에 대해서 채널 상황과 트래픽 상황을 고려하여, 특정 윈도우 시간(Tw)마다 주기적으로 전용 자원을 할당한다.
이와 같이, 본 발명이 특정 윈도우 시간(Tw) 마다 전용 자원을 할당하는 이유는, 상기 중계국-기지국 링크는 단말들로부터 전송받은 트래픽들(또는, 데이터)을 합친 병합 트래픽(aggregation traffic)을 전송하는데 사용되는 채널로서, 단말-중계국 링크에 비해서 비교적 큰 크기의 병합 트래픽이 전송되어, 전송 데이터의 크기가 크고 변화량이 적기 때문이다. 그리고, 다른 이유는 상기 중계국이 고정형 중계국라면, LOS (Line-Of-Sight) 이거나 비교적 가변성이 적은 채널 특성을 지녀서 단말-중계국 링크보다 상대적으로 좋은 채널 상황이기 때문에, 단말-중계국 링크보다 높은 MCS를 사용할 수 있기 때문이다.
이러한 특성을 고려하여, 본 발명은 중계국-기지국 링크에 대해서 특정 윈도우 시간마다 업데이트되는 중계국에서 요구되는 대역 크기를 기반으로 자원을 할당, 관리하는 윈도우 기반 가상대역 다중접속(window-based virtual bandwidth multiple access; W-VBMA) 방식을 제안한다.
구체적으로, 본 발명은 중계국에서 자원을 관리하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 기지국으로부터 윈도우 시간(Tw)에 대한 정보를 수신하는 단계와; 상기 윈도우 시간 내에 상기 기지국에 필요한 대역의 할당을 요청하는 단계와; 상기 할당된 대역에 기반하여, 하나 이상의 단말로부터 수신한 데이터에 상기 할당받은 대역을 분배 할당하는 단계와; 상기 윈도우 시간이 도래하기 전이라도, 추가 대역폭이 필요한 경우 상기 기지국에 대역의 재할당을 요청하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명은 기지국이 중계국에 자원을 할당하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 하나 이상의 중계국로부터 대역 할당 요청을 수신하는 단계와; 미리 결정된 윈도우 주기 내에서 상기 하나 이상의 중계국에 대역을 할당하는 단계와; 상기 미리 결정된 윈도우 주기가 도래하기 전에, 상기 하나 이상의 중계국로부터 대역 재할당 요청을 수신하면, 상기 하나 이상의 중계국에 대역을 재할당하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 기지국 또는 중계국이 단말에 자원을 할당하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 하나 이상의 단말로부터 대역 할당 요청을 수신하는 단계와; 미리 결정된 윈도우 주기 내에서 상기 하나 이상의 단말에 대역을 할당하는 단계와; 상기 미리 결정된 윈도우 주기가 도래하기 전에, 상기 하나 이상의 단말로부터 대역 재할당 요청을 수신하면, 상기 하나 이상의 단말에 대역을 재할당하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 QoS 요구조건을 고려한 효율적인 데이터 통합을 통하여 중계국이 단말로부터 수신한 데이터를 기지국으로 전달함으로써 시그널링 오버헤드가 감소되고 지연 발생이 방지되는 효과가 발생한다.
또한, 다양한 서비스에 대한 QoS 요구조건을 만족할 수 있도록 통합 패킷을 구성함으로써 통합 패킷의 프레임 전송 에러가 발생한 경우 에러가 발생한 프레임의 재전송을 위한 HARQ(Hybrid Automatic Retransmission request)와 같은 데이터 재전송 기법을 적극 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 중계국이 도입되면서 생긴 채널 및 트래픽 특성을 고려하여, 중계국-기지국 링크에 대해서 특정 윈도우 시간마다 각 중계국의 트래픽 양을 토대로 전용 자원의 크기를 조절, 관리하여 매 프레임에서 전송을 위해서 필요한 시그널링 오버헤드와 지연을 줄인다.
그리고 본 발명은 중계국이 실시간성 트래픽과 비실시간성 트래픽을 구분하여, 실시간성 트래픽을 우선적으로 처리해 줌으로써 실시간성 트래픽에 대해서는 시그널링 오버헤드와 지연을 줄이고, 실시간성 트래픽 양이 적을 때는 할당 받은 자원을 비실시간성 트래픽에 대부분 할당함으로써 전용으로 할당 받은 자원을 비실시간성 트래픽에 대해서도 보다 효율적으로 운용할 수 있다.
또한, 본 발명은 윈도우시간마다 MCS 레벨도 새로이 결정하여 변경할 수 있기 때문에, MCS 레벨을 고정적으로 사용하는 기존의 전용채널 할당 방식보다 채널변화에 대한 자원사용의 효율성을 높일 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 중계국에서 트래픽이 급증하여 훨씬 많은 자원을 갑자기 필요로 하는 경우, 이를 중계국이 판단하고 재할당 요청 메시지를 기지국에 보냄으로써 즉각적으로 자원을 재할당 받을 수 있도록 한다. 이를 통해서 특정 중계국에서 트래픽이 급증하는 경우에도 전용채널할당 방식의 비효율적인 면을 극복할 수 있고, 중계국 간의 자원 사용을 보다 균등하게 할 수 있다.
도 1은 다중 홉 셀룰러 시스템을 도시한 도면
도 2는 중계국의 큐(Queue)에 저장된 패킷 각각에 대해서 개별적으로 기지국으로 중계하는 방식을 설명하기 위한 참고도
도 3은 패킷 데이터를 서비스 요구사항에 따라 다수 클래스로 분류한 도면
도 4는 QoS 요구조건에 따라 분류된 클래스를 이용하여 통합 패킷을 구성하는 과정을 도시한 도면
도 5는 중계국에서 통합 패킷을 구성하여 기지국으로 전송하는 과정을 순차적으로 도시한 구성도
도 6은 중앙집중식 스케쥴링 (Centralized Scheduling)에 따른 자원할당 과정을 도시한 흐름도
도 7은 분산식 스케쥴링 (Distributed Scheduling)에 따른 자원할당 과정을 나타낸 흐름도
도 8은 지연 감소 분산식 스케쥴링 (Distributed Scheduling for Reducing Latency)에 따른 자원할당 과정을 나타낸 흐름도
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자원할당 및 관리의 개념을 나타낸 예시도
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 중계국과 기지국의 구성을 개념적으로 나타낸 블록도
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 기지국에서의 동작을 예시적으로 나타낸 흐름도
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 중계국에서의 동작을 예시적으로 나타낸 흐름도
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 기지국의 상향 링크 서브 프레임 구조를 나타낸 도면
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 중계국의 상향 링크 서브 프레임 구조를 나타낸 도면
도 15는 본 발명에 따른 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식을 차트로 나타낸 예시도
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 통합 패킷의 자원 매핑 방식을 도시한 도면
도 17은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 통합 패킷의 자원 매핑 방식을 도시한 도면
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 장치를 도시한 블록도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 통신 시스템은 음성 및 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위한 시스템으로서 기지국, 릴레이 노드 및 단말을 포함하며, IEEE802.16 시스템을 대표예로 설명한다.
본 발명의 단말은 SS(Subscriber Station), UE(User Equipment), ME(Mobile Equipment), MS(Mobile Station) 등으로 불릴 수 있으며, 휴대폰, PDA, 스마트 폰(Smart Phone), 노트북 등과 같이 통신 기능을 갖춘 휴대 가능한 기기 또는 PC, 차량 탑재 장치와 같이 휴대 불가능한 기기를 포함한다.
본 발명의 중계국은 중계기, 릴레이(Relay), 릴레이 노드(RN: relay node), RS(Relay Station) 등으로 불릴 수 있으며, 기지국과 단말 간에 설치되어 송수신 신호를 중계함으로써, 셀 영역 내에서 발생하는 부분적인 음영 지역을 커버하고 셀 서비스 영역을 넓힐 수 있으며, 시스템 용량을 증대시키는 역할을 한다. 중계국은 기지국과 단말 간에 발생되는 데이터 트래픽을 효과적으로 중계하기 위하여 다중 홉으로 구성될 수도 있으며, 한 위치에 고정되어 운용되거나 또는 이동성을 가질 수도 있다. 또한, 중계국은 송신 및 수신 대역이 분리되는 전이중(Full duplex) 또는 송신 및 수신 시구간이 분리되는 반이중(half duplex) 방식으로 운용될 수 있으며, Non-Transparent한 타입 Ⅰ 또는 Transparent한 타입 Ⅱ 중계국으로 동작될 수 있다.
본 발명의 기지국은 단말과 통신하는 고정된 지점을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BS(Base Station), BTS(Base Transceiver System), 억세스 포인트(Access Point) 등의 용어로 사용될 수 있다. 하나의 기지국에는 하나 이상의 셀(Cell)이 존재할 수 있으며, 기지국 간에는 사용자 트래픽 또는 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수 있다. 또한, 하향링크(Downlink)는 기지국으로부터 중계국 및/또는 단말로의 통신 채널을 의미하며, 상향링크(Uplink)는 중계국 및/또는 단말로부터 기지국으로의 통신 채널을 의미한다.
본 발명의 무선통신 시스템에 적용되는 다중접속 기법은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA(Single Carrier-FDMA), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 또는 공지된 다른 변조 기술들과 같은 다중 접속 기법을 모두 포함한다.
또한, 상기 하향링크와 상향링크 전송을 위한 다중접속 방식은 서로 상이할 수 있으며, 예를 들어 하향링크는 OFDMA 기법을 사용하고 상향링크는 SC-FDMA 기법을 사용할 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
Ⅰ. 데이터 서비스 별 클래스 분류
통신환경에서 일반적으로 발생되는 다양한 응용 서비스들을 QoS 요구조건이 유사한 4가지 그룹으로 분류하면 하기 표 1과 같다.
표 1
서비스 그룹 응용 서비스
Conversational service Telephony speech, VoIP, 화상회의 등
Streaming service 비디오 스트리밍 등
Interactive service 웹검색, 서버 접속 등
Background service 이메일, 팩스, FTP 등
표 1에서 설명한 바와 같이 응용 서비스 들은 크게 대화형 서비스 (Conversational service), 스트리밍 서비스 (Streaming service), 상호작용 서비스(Interactive service) 및 백그라운드 서비스 (Background service) 4가지 그룹으로 분류할 수 있으며, 대화형 서비스 (Conversational service)는 음성 통화, VoIP(Voice over IP) 및 화상회의 등의 서비스로서 저속의 데이터율을 요구하지만 허용 가능한 전송 지연에 비교적 엄격한 제한을 두는 특징이 있다. 스트리밍 서비스(Streaming service)는 VOD(Video on Demand) 등의 비디오 스트리밍 등의 서비스로서 수신단에 도착하는 패킷들의 지연 분산이 크지 않을 것을 요구하며 허용 가능한 지연 요구조건은 대화형 서비스 수준의 엄격함을 요구하지는 않지만 어느 정도 제한을 두고 있다. 상호작용 서비스(Interactive service)는 웹 검색 또는 서버 접속 등의 서비스 등이 해당되며, 순환 지연(round trip delay)의 제한이 있으며 낮은 BER(Bit Error Ratio)를 요구하는 특징이 있다. 또한, 백그라운드 서비스 (Background service)는 이메일(E-mail), 팩스(Fax) 또는 FTP(File Transfer Protocol) 등의 서비스가 해당되며, 지연에 민감하지는 않지만 낮은 BER 요구조건을 특징으로 한다.
중계국은 다수의 단말로부터 위와 같은 다양한 응용 서비스 들을 수신하여 기지국으로 중계를 하기 위해서, 수신한 패킷 데이터를 상호 유사한 QoS 요구조건에 따라서 클래스 분류하여 통합 패킷으로 재구성한 후 재구성된 통합 패킷을 기지국으로 전달한다.
상기 다양한 응용 서비스 들을 QoS(Quality of Service) 요구사항 중 FER(Frame Error Ratio) 요구조건 및 지연 요구조건을 기준으로 분류해보면 도 3과 같은 세부 Class로 분류될 수 있다.
도 3은 서비스 요구사항에 따라서 발생 가능한 데이터 트래픽을 클래스 별로 분류한 일실시예를 도시한 도면이다.
도 3에서는 기준이 되는 서비스 요구사항을 FER 요구조건과 지연 요구조건으로 나타내었으며, FER 요구조건이 비교적 엄격히 요구되는 그룹은 Class B로 분류하고, FER 요구조건이 상대적으로 엄격히 요구되지 않는 그룹은 Class A로 분류할 수 있다. Class A에 속한 응용 서비스들은 주로 음성 서비스에 해당되어 데이터 에러에 대해서 비교적 민감하지 않는 Error tolerant 한 특징이 있으며, Class B에 속한 응용 서비스들은 주로 데이터 서비스에 해당되어 데이터 에러 발생에 대해서 매우 민감한 Error intolerant한 특징이 있다.
마찬가지로 지연 요구조건의 수준에 따라서도 매우 엄격한 기준을 갖는 Class 1 (delay << 1 sec), 다소 엄격한 기준을 갖는 Class 2 (delay ≒ 1 sec), 완화된 기준을 갖는 Class 3 (1 sec < delay < 10 sec) 및 지연 요구조건의 제한사항이 사실상 없다고 볼 수 있는 Class 4 (delay > 10 sec)로 세분하여 분류할 수 있다. 각 Class에 해당되는 서비스 들의 특징은 지연 요구조건이 엄격할수록 실시간 서비스에 해당되며, 지연 요구조건이 완화될수록 비 실시간 서비스에 해당된다. 위 두 가지 서비스 요구사항을 고려하여 상세히 클래스를 분류할 경우 도시된 바와 같이 총 8개의 클래스로 세부 분류가 가능하다.
Class A1은 완화된 FER 요구조건 및 매우 엄격한 지연 요구조건을 특징으로 하는 실시간 서비스이며, 주로 음성, 음성 및 비디오 등의 대화형 서비스가 해당된다. Class B1은 엄격한 FER 요구조건 및 매우 엄격한 지연 요구조건을 특징으로 하며, 텔넷(Telnet), 상호작용 게임(Interactive games) 등의 서비스가 해당된다. Class A2는 완화된 FER 요구조건 및 엄격한 지연 요구조건을 특징으로 하며, 음성 메시지(Voice message) 등의 서비스가 해당된다. Class B2는 엄격한 FER 요구조건 및 엄격한 지연 요구조건을 특징으로 하며, 전자 상거래(E-Commerce) 또는 웹 브라우징(WEB Browsing) 등의 서비스가 해당된다. Class A3는 완화된 FER 요구조건 및 완화된 지연 요구조건을 특징으로 하며, 스트리밍 서비스 등이 해당된다. Class B3는 엄격한 FER 요구조건 및 완화된 지연 요구조건을 특징으로 하며, FTP 서비스, 정지 영상(Still image) 또는 페이징(Paging) 서비스 등이 해당된다. Class A4는 완화된 FER 요구조건을 특징으로 하는 비실시간 서비스로, 팩스 등의 서비스가 해당된다. Class B4는 엄격한 FER 요구조건을 특징으로 하는 비실시간 서비스로, 이메일 도착 통지(Email arrival notification) 서비스 등이 이에 해당된다.
이상 도 3을 참조로 설명한 Class 분류는 단말을 기준으로 송수신되는 다양한 패킷 데이터를 서비스 요구사항에 따라서 세부적으로 분류한 것이며, 중계국은 상기와 같이 세분화 된 Class 들을 운영 조건에 따라서 적절히 통합하여 새로운 통합 패킷을 구성한 후 이를 기지국으로 전달하게 된다.
이하에서는 중계국이 단말로부터 수신한 다양한 패킷들을 기지국으로 중계하기 위하여 새로운 통합 패킷으로 구성하는 방법에 대해서 설명한다.
Ⅱ. 중계국의 데이터 통합 방식
중계국은 단말로부터 수신한 다수의 패킷을 큐(Queue)에 저장한 후, 이를 QoS 요구조건에 따라서 하나 또는 다수개의 통합 패킷 클래스로 구성된 통합 패킷으로 구성하여 기지국으로 전송한다. 이와 같이 중계국의 데이터 통합을 통한 중계 방식은, 중계국과 기지국간의 자원 요청, 데이터 전송횟수, 제어 정보 송수신 등의 시그널링 오버헤드가 발생하는 절차들을 줄일 수 있다. 그러나 중계국이 다수의 단말로부터 수신한 패킷에는 서비스 종류에 따라서 다양한 QoS 요구사항을 포함하고 있으므로, 이를 고려하지 않고 단순히 통합 패킷을 구성하여 기지국으로 전송할 경우 HARQ와 같은 데이터 재전송을 수행하기 어려운 문제점이 발생한다. 따라서, QoS 요구사항을 만족시키면서 전송 패킷의 에러가 발생한 경우 HARQ 등의 데이터 재전송 기법을 효과적으로 활용하기 위해서는 효율적인 데이터 통합 방식이 요구된다. 이하에서는 중계국에서 통합 패킷을 구성하는 방식에 대해서 세분화된 6개의 클래스 분류를 통한 통합 패킷 구성 방식(제1 통합방식), 간략화된 3개의 클래스 분류를 통한 통합 패킷 구성방식(제2 통합방식) 및 단순화한 2개 클래스 만으로 분류하여 통합 패킷을 구성하는 방식(제3 통합방식)의 3가지 내용을 예시적으로 설명한다.
1. 제1 통합 방식
본 실시예에서는 중계국에서 수신한 데이터를 QoS 요구조건 별로 각각 나누어 보다 세부적으로 데이터를 통합한다. 즉, QoS 요구조건이 유사한 패킷들끼리 하나의 통합 패킷을 구성함으로써 단말로부터 수신한 패킷의 QoS 요구조건과 기지국으로 전송하기 위해 재구성하는 통합 패킷의 QoS 요구조건에 큰 차이가 발생하지 않는다. 따라서, 통합 패킷을 전송할 때 중계국과 기지국 사이의 링크에서 데이터 에러가 발생하더라도 통합 패킷은 다양한 QoS를 만족할 수 있으므로 HARQ(Hybrid ARQ)와 같은 데이터 재전송 기법을 적극적으로 적용할 수 있게 된다.
하기 표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 패킷 통합을 위한 클래스 분류를 나타낸 표이다.
표 2
통합 패킷 클래스 지연 요구 조건 특성 (D) FER 요구 조건 특성
A DA: 실시간 트래픽의 엄격한 지연 요구조건 FERA: 엄격한 FER 요구조건
B DB:실시간 트래픽의 엄격한 지연 요구조건 FERB: 완화된 FER 요구조건
C DC:비실시간 트래픽의 완화된 지연 요구 조건 FERC: 엄격한 FER 요구조건
D DD:비실시간 트래픽의 완화된 지연 요구 조건 FERD: 완화된 FER 요구조건
E DE:지연 요구 조건 없음 FERE: 엄격한 FER 요구조건
F DF:지연 요구 조건 없음 FERF: 완화된 FER 요구조건
표 2에서 DA 내지 DF는 각각 통합 패킷 클래스 A 내지 F의 지연 요구 조건이라 하고, FERA 내지 FERF는 각각 통합 패킷 클래스 A 내지 F의 FER 요구조건이라 하면, 각 요구조건 하기 수학식 1 및 2와 같은 관계를 나타낸다.
수학식 1
Figure PCTKR2010002672-appb-M000001
수학식 2
Figure PCTKR2010002672-appb-M000002
표 2에 나타낸 것과 같이 본 실시예에서는 지연 요구조건을 3가지 레벨로 분류하고 FER 요구조건을 2가지 레벨로 분류하여 전체적으로 총 6개의 클래스 A, B, C, D, E 및 F로 분류할 수 있다.
클래스 A와 B는 지연 요구조건에 있어서 공통적으로 실시간 트래픽의 엄격한 지연 요구조건을 필요로 하고 있으나, FER 요구조건은 수학식 2에서와 같이 상호 차이가 있기 때문에 MCS 레벨 선택에서 차이가 발생할 수 있다.
통합 패킷 클래스 {A, B}, {C, D} 및 {E, F}는 지연 요구 조건에 있어서 서로 차이가 있기 때문에, HARQ 적용 시 최대로 허용할 수 있는 재전송 횟수에서 차이가 발생하고, 이는 MCS 레벨 선택 등에 있어서 영향을 주게 된다. 예를 들어 클래스 {A, B}는 재전송을 허용하지 않는 그룹으로 설정될 수 있고, 클래스 {C, D}는 2 내지 5회의 재전송 횟수가 고려될 수 있으며, 클래스 {E, F}는 시스템이 허용하는 범위까지 최대한 재전송을 수행할 수 있거나 또는 다른 클래스보다 우선 순위를 낮게 하여, 자원 사용에 여유가 있을 때까지 대기하였다가 전송하게 하는 방식이 도입될 수 있다. 바람직하게는 시스템이 허용하는 재전송 범위는 전력 소모를 고려하여 결정될 수 있다.
표 2와 같이 QoS 요구조건을 세분화하여 분류하고 패킷을 통합하는 방식은, 재전송 횟수나 FER 요구 조건의 작은 차이에 따라 MCS 레벨 등의 HARQ 환경 변수들이 달라지게 된다. 따라서 본 실시예의 데이터 통합 방식은 데이터 재전송 횟수의 증가에 따라서 시스템 성능차이에 큰 영향을 줄 수 있는 환경에서 적합하다. 예를 들면, 이동 중계국(Moving relay station) 환경의 경우 채널이 빠르게 변하므로 데이터 에러 발생 확률이 상대적으로 높아져서 데이터 재전송을 하게 되는 경우가 자주 발생하며, 이와 같은 경우는 재전송의 횟수 증가도 시스템 성능에 영향을 미치게 되므로 본 실시예의 제1 통합 방식이 효과적으로 적용될 수 있다.
2. 제2 통합 방식
앞서 살펴본 제1 통합 방식은 채널 환경이 좋지 않거나 중계국이 이동식인 경우 등에서는 HARQ를 효과적으로 이용할 수 있다는 장점이 있지만, 통합 패킷의 클래스를 세분화하여 분류하기 때문에 통합 클래스의 수가 많아져서 시그널링 오버헤드가 증가한다는 단점이 있다.
따라서, 채널 상태가 비교적 양호하거나 중계국과 기지국간의 링크 변화가 거의 없는 고정형 중계국 시스템에서는 재전송 횟수의 증가가 시스템 성능에 큰 영향을 주지 않으므로, 이하에서 제안하는 제2 통합 방식과 같은 간략한 통합 방식이 제1 통합 방식에 비해서 보다 효과적으로 적용될 수 있다.
하기 표 3은 도 3의 클래스별 서비스 요구조건을 참조하여 본 실시예에서 제안하는 제2 통합 방식에 따른 데이터 패킷 통합을 위한 클래스 분류를 나타낸 표이다.
표 3
통합 패킷 클래스 지연 요구 조건 특성 (D) FER 요구 조건 특성
A DA:실시간 트래픽의 엄격한 지연 요구조건 FERA: 엄격한 FER 요구조건
B DB:실시간 트래픽의 엄격한 지연 요구조건 FERB: 완화된 FER 요구조건
C DC:비실시간 트래픽의 완화된 지연 요구 조건 FERC: 적절한 FER 요구조건
표 3에서 DA, DB, DC를 각각 통합 패킷 클래스 A, B 및 C의 지연 요구조건이라 하고, FERA, FERB, FERC를 각각 통합 패킷 클래스 A, B 및 C의 FER 요구조건이라 하면, 각 요구조건들은 하기 수학식 3 및 4와 같은 관계를 나타낸다.
수학식 3
Figure PCTKR2010002672-appb-M000003
수학식 4
Figure PCTKR2010002672-appb-M000004
표 3에 나타낸 것과 같이 본 실시예에서는 지연 요구조건을 2가지 레벨로 분류하고 FER 요구조건을 3가지 레벨로 분류하여 전체적으로 총 3개의 클래스 A, B 및 C로 분류할 수 있다. FER 요구조건 중 FERC의 적정 값은 통합 패킷 클래스 C에 포함되는 다수의 클래스에 따라서 구해질 수 있다. 예를 들어 도 3에 도시된 다수 클래스 중 Class A2, B2, A3, B3, A4 및 B4가 모두 통합 패킷 클래스 C에 포함되도록 설계할 경우, FERC의 적정 FER 요구조건 값은 다소 엄격한 기준으로 정해지게 되며, 따라서 FERC는 FERA와 유사한 기준으로 결정될 수 있다.
표 3에서 통합 패킷 클래스 A 및 B는 지연 요구 조건이 엄격하게 요구되며, HARQ의 재전송이 매우 제한되는 경우에 해당된다. 그러나, 클래스 C는 HARQ 를 적극적으로 이용할 수 있는 클래스에 해당된다. 또한, 클래스 A와 B는 FER 요구조건에 따라 MCS 레벨이 다르게 설정될 것을 고려하여 상호 구분한 클래스에 해당된다.
3. 제3 통합 방식
하기 표 4는 도 3의 클래스별 서비스 요구조건을 참조하여 본 실시예에서 제안하는 제3 통합 방식에 따른 데이터 패킷 통합을 위한 클래스 분류를 나타낸 표이다.
표 4
통합 패킷 클래스 지연 요구 조건 특성 (D) FER 요구 조건 특성
A DA:실시간 트래픽의 엄격한 지연 요구조건 FERA: 적절한 FER 요구조건
B DB:비실시간 트래픽의 완화된 지연 요구조건 FERB: 적절한 FER 요구조건
표 4에서 DA 및 DB를 각각 통합 패킷 클래스 A 및 B의 지연 요구조건이라 하고, FERA 및 FERB를 각각 통합 패킷 클래스 A 및 B의 FER 요구조건이라 하면, 각 요구조건 값은 시스템에 맞도록 적절히 설정될 수 있으며, 각 조건들은 하기와 같은 관계를 나타낸다. 단, FER 요구조건 값은 각 통합 패킷의 클래스가 도 3 에 도시된 다수의 클래스 중 어떤 클래스를 포함하는가에 따라서 적정한 값이 구해질 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2010002672-appb-M000005
앞서 설명한 제2 통합 방식에서는 FER 요구조건에 따라 클래스 A와 B를 구분하였지만, 상기 표 4에 따른 제3 통합 방식은 통합 패킷의 클래스 분류를 보다 단순화하여 실시간 트래픽에 해당되는 클래스 A와 비실시간 트래픽에 해당되는 클래스 B로만 구분하였다.
이상 표 2 내지 표 4를 참조로 설명한 바와 같이, 중계국은 단말로부터 수신되는 다양한 패킷 데이터들을 서비스 요구조건에 따라서 적절히 통합함으로써 보다 효율적으로 데이터를 중계할 수 있게 된다.
도 4는 QoS 요구조건에 따라 분류된 클래스를 이용하여 통합 패킷을 구성하는 과정을 도시한 도면이다. 설명의 편의를 위해서 앞서 살펴본 통합 방식 중 제2 통합 방식을 예로 이하에서 설명한다.
중계국은 단말로부터 패킷(401)을 수신하면 버퍼(403)에 저장한 후, QoS 요구조건을 참조하여 그에 해당되는 클래스 큐(Queue)로 분류 저장한다. 제2 통합 방식의 경우 표 3과 같이 통합 패킷 클래스는 A, B 및 C의 3가지 클래스로 분류가 가능하며, 이에 따라서 중계국은 3개의 클래스 큐(405, 407, 409)를 갖게 된다.
유사한 QoS 조건에 해당되는 패킷들은 하나의 클래스 큐로 저장되며, 각 통합 패킷 클래스의 트래픽 양과 통합 패킷의 MCS 레벨 및 기지국으로부터 할당된 자원 등을 고려하여 통합 패킷의 크기가 결정된다. 통합 패킷의 크기가 결정되면 프레임 단위로 재구성되며, 통합 패킷 내의 서비스 데이터 유닛에 대한 프레임 정보(FI)가 포함되고, MAC(Medium Access Control) 단에서는 제어정보를 포함한 헤더(MAC header)가 포함되어 통합 패킷 프레임이 최종 완성된다.
도 5는 중계국에서 통합 패킷을 구성하여 기지국으로 전송하는 과정을 순차적으로 도시한 구성도이다.
중계국은 단말로부터 수신되는 다수의 패킷(Packet) 데이터를 소정 방식으로 통합하여 기지국(Base Station)으로 전송하기 위한 데이터 통합 방식을 결정한다(S501).
이는 앞서 살펴본 3가지 통합 방식 중 하나일 수 있으며, 경우에 따라서는 RS-BS 채널 상황에 따라서 적응적으로 통합 방식을 변경하면서 운영하는 것도 가능하다. 즉 채널 환경이 좋지 못한 경우에는 제1 통합 방식으로 운영하고, 채널 환경이 좋은 경우에는 제2 통합 방식으로 선택적으로 운영할 수도 있다.
단말은 기지국으로 전송할 데이터가 발생하면 이를 중계국으로 전달하고(S503), 중계국은 단말로부터 데이터를 수신하여 사전에 미리 결정한 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 중계국의 큐(Queue)에 저장한다(S505).
중계국은 상기 선택된 데이터 통합 방식에 따라서 상기 분류된 통합 패킷 클래스에 대해서 지연 요구조건, FER 요구조건 및 최대 재전송 횟수를 설정한다(S507). 여기서, 통합 패킷 클래스 각각의 최대 재전송 횟수 및 FER 요구조건 값은 시스템 초기에 미리 설정되거나 또는 채널 환경 등을 고려하여 중계국에서 주기적으로 업데이트 될 수도 있다.
중계국은 처리할 트래픽 양과 통합 패킷 클래스 각각의 트래픽 양을 계산하고, RS-BS 채널 정보 및 최대 재전송 횟수와 FER 요구조건 값 등을 이용하여 통합 패킷 클래스의 MCS 레벨(Modulation and Coding Scheme)을 결정한다(S509).
중계국은 상기 결정된 MCS 레벨에 따라서 필요한 자원을 산출하고 기지국으로 상기 자원의 할당을 요청한다(S511).
기지국은 현재 서비스 중인 다른 중계국 및 단말을 고려하여 상기 중계국으로 자원을 할당한다(S513).
바람직하게는, 기지국은 RS-BS 채널 정보, 각 통합 패킷 클래스의 최대 재전송 횟수, FER 요구조건 및 트래픽 양을 고려하여 각 통합 패킷 영역에서 사용할 MCS 레벨을 결정하고, 중계국에게 필요한 자원을 할당하며, 상기 할당된 자원에 대해서 특정 통합 패킷이 매핑될 위치를 지정하여 하향링크 MAP을 통해서 중계국으로 알려줄 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 자원할당은, 중계국이 사용할 전체 자원을 기지국에서 할당을 하여 중계국으로 알려주고, 이후 각 통합 패킷 클래스가 점유할 자원의 위치와 MCS 레벨은 중계국에서 결정하여 기지국으로 통보하는 것도 가능하다. 이때, 중계국은 각 통합 패킷 클래스가 사용할 자원의 위치와 MCS 레벨 정보를 상향링크 MAP 메시지 또는 별도의 제어 채널을 통해서 기지국으로 통보한다. 자원 할당과 관련한 상세는 하기 관련부분에서 보다 상세히 설명하기로 하며 이하 생략한다.
중계국은 상기 기지국으로부터 자원을 할당받아, 통합 패킷 클래스의 우선순위 및 통합 패킷 클래스가 저장된 큐의 길이에 따라서 클래스별 자원을 할당한다(S515).
중계국은 각 통합 패킷 클래스 별 MCS 레벨 및 할당된 자원에 따라서 통합 패킷의 크기를 결정한다(S517).
이후, 각 통합 패킷 클래스 별로 통합 패킷을 구성하고(S519), 통합 패킷을 변조(Modulation), 코딩(Coding) 및 자원 매핑(Mapping) 처리한 후(S521), 기지국으로 통합 패킷을 전송한다(S523).
이하에서는 중계국에서 재구성한 통합 패킷에 대해 HARQ 등의 기법을 적용하기 위한 QoS 요구조건 결정 방법에 대해서 설명한다.
Ⅲ. 통합 패킷의 QoS 요구조건 결정
단말과 기지국간의 직접 링크에서 QoS 요구조건은 도 3에 도시한 바와 같이 각각의 응용 서비스 별로 주어질 수 있지만, 중계국과 기지국간의 링크에서 QoS 요구조건은 HARQ를 적용하기 위하여 통합 패킷의 결정 방식에 따라 새롭게 설계해야 한다. 앞서 살펴본 바와 같이, 통합 패킷 내에는 다양한 QoS 요구조건을 갖는 다수 패킷들이 포함되어 있으므로 통합 패킷의 QoS 요구 조건을 시스템 환경을 고려하여 적절히 설정해야 할 필요가 있다. 이하에서는, 통합 패킷의 QoS 요구조건을 지연 요구조건과 FER 요구조건을 고려하여 결정하는 방법을 설명한다.
1. 통합 패킷의 지연 요구조건 설정 (
Figure PCTKR2010002672-appb-I000012
)
통합 패킷의 지연 요구조건 (
Figure PCTKR2010002672-appb-I000013
)은 단말과 기지국간의 전체 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000014
)값과 단말과 중계국간의 링크상의 실제 지연 값(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000015
)값을 이용하여 결정할 수 있다.
우선 단말과 기지국간의 전체 링크를 고려한 특정 패킷의 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000016
)이 결정되면, 단말과 중계국간의 링크상의 실제 지연 값(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000017
)을 이용하여 중계국과 기지국간의 링크를 고려한 특정 패킷의 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000018
)이 결정된다. 중계국이 단말로부터 수신한 특정 패킷에 대해 중계국과 기지국간의 링크상에서 지연 요구조건을 수학식으로 나타내면 하기와 같다.
수학식 6
Figure PCTKR2010002672-appb-M000006
Figure PCTKR2010002672-appb-I000019
: 중계국과 기지국간의 링크상의 지연 요구조건
Figure PCTKR2010002672-appb-I000020
: 단말과 기지국간의 링크상의 전체 지연 요구조건
Figure PCTKR2010002672-appb-I000021
: 단말과 중계국간의 링크상의 실제 지연 값
수학식 6에서
Figure PCTKR2010002672-appb-I000022
은 평균 지연 또는 소정 percentile 이내에 들어오는 값으로서, 각 클래스 마다 주어지는 constant 값에 해당된다.
단말과 기지국간의 링크 상의 전체 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000023
)은 통합 패킷이 포함하는 각 클래스에 명시된 지연 요구조건 중에서 가장 엄격한 지연 요구조건을 기준으로 선택한다. 예를 들어, 앞서 설명한 제3 통합방식의 통합 패킷 클래스를 적용하고, 표 4의 통합 패킷 클래스 B는 도 3에 도시된 클래스 중 Class {A2, B2, A3, B3, A4, B4}를 모두 포함할 경우 통합 패킷 클래스 B는 Class {A2, B2, A3, B3, A4, B4}의 모든 지연 요구조건을 만족시켜야 하므로, 이중 가장 엄격한 지연 요구조건에 해당되는 Class A2 또는 Class B2의 지연 요구조건을 만족하도록 설정된다.
하지만
Figure PCTKR2010002672-appb-I000024
값은 MS-RS 링크에서 패킷 마다 독립적인 처리 과정을 거쳐야 하기 때문에 매 순간 변하는 variable 값에 해당된다. 따라서 통계적인 추정을 통하여
Figure PCTKR2010002672-appb-I000025
을 결정하여야 하며 이를 위해서는 중계국으로 수신되는 패킷들을 샘플링(sampling) 하여야 한다. 상기 패킷 샘플링은 MS-BS 링크의 지연 요구조건 결정에 영향을 준 클래스의 패킷들 만을 샘플링 한다. 예를 들어, 앞서 설명한 데이터 통합 방식 3의 통합 패킷 클래스 B의 경우, Class A2 또는 Class B2의 지연 요구조건이 가장 낮기 때문에 상기 Class A2 또는 Class B2에 해당되는 패킷들 만을 고려하여 통합 패킷의 지연 요구조건을 구하게 된다. 예를 들어, Class A2의 지연 요구조건이 가장 낮다고 가정할 경우 Class A2에 속하는 패킷들을 모두 n개라고 가정하면,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000026
를 n 번째 패킷의 지연 요구조건 값이라고 하고, 큰 값부터 순서대로 나열하였을 때, 특정한 percentile 을 갖는 값을 통합 패킷의 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000027
)으로 결정한다. 바람직하게는 상기 특정 percentile을 갖는 값이 다수 개일 경우 이들에 대해서 평균을 취한 값을 통합 패킷의 지연 요구조건으로 설정할 수 있다.
또한, 바람직하게는 만일 통합 패킷이 상기 지연 요구조건 값을 만족하지 못할 경우에는 손실(loss)로 간주될 수 있으므로, percentile 값은 FER 요구조건을 고려하여 설정할 수 있다. 즉, RS-BS 링크에서 통합 패킷 지연 요구조건(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000028
)은 손실을 고려하여 평균보다 α만큼 작은 다음과 같은 값으로 설정하는 것이 바람직하다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2010002672-appb-I000029
여기서 α는 손실 보상 계수라 하며, 0 보다 큰 임의의 상수 값으로 시스템에서 환경을 고려하여 적절히 설정된다.
상기와 같이,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000030
를 기준으로 재전송 횟수를 결정할 경우, 특정한 percentile 값 이내의 패킷들의 지연 요구 조건을 만족할 수 있다. 위의 특정한 percentile 값은 대부분의 패킷들의 지연 요구조건을 만족할 수 있도록 설정한다.
또한 지연이
Figure PCTKR2010002672-appb-I000031
를 넘을 확률은 하기 수학식과 같이 구해질 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2010002672-appb-M000007
2. 통합 패킷의 FER 요구조건 설정
FER 요구조건은 매 순간 변하는 값이 아니며 하나의 통합 패킷 클래스가 포함하고 있는 다양한 FER 요구조건 중에서 가장 낮은 FER 요구조건이 그 통합 패킷의 FER 요구조건이 된다. 예를 들어, 데이터 통합 방식 3의 통합 패킷 클래스 B에는 도 3의 Class 그룹 중 Class {A2, B2, A3, B3, A4, B4}의 클래스가 통합되어 구성된다고 할 때, Class B2, Class B3 및 Class B4의 FER 요구조건 중 가장 엄격한 FER 요구 조건이 통합 패킷 클래스 B의 FER 요구조건(FERconst)이 된다.
실제로 패킷은 단말과 중계국 링크 및 중계국과 기지국간의 링크를 모두 거치게 되므로, 패킷 전송시 발생되는 에러는 단말과 중계국 링크, 중계국과 기지국 링크에서 모두 발생할 수 있다. 따라서 중계국과 기지국 링크의 FER 요구 조건은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 9
Figure PCTKR2010002672-appb-M000008
상기 수학식 9에서
Figure PCTKR2010002672-appb-I000032
는 통합 패킷의 FER 요구조건의 결정에 영향을 준 클래스의 단말 중계국 링크의 FER 요구조건이다.
한편, HARQ의 MCS 레벨 선택 시에 사용되는 FER 요구 조건 값은 상기
Figure PCTKR2010002672-appb-I000033
값과 수학식 8에서의
Figure PCTKR2010002672-appb-I000034
값을 고려하여 하기 수학식 10과 같이 결정될 수 있다.
수학식 10
Figure PCTKR2010002672-appb-M000009
상기 수학식의 FER 값들은 시스템 환경에 따라 달라질 수 있으므로, 측정에 의하여 적절한 값으로 설정하는 것이 바람직하다.
Ⅳ. HARQ 를 위한 최대 허용 재전송 횟수(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000035
)결정
앞서 살펴본 바와 같이 중계국에서 통합 패킷을 구성하여 기지국으로 전송시 패킷의 에러가 발생하면 HARQ를 적용할 수 있으며, HARQ를 적용할 때는 앞서 결정된 지연 요구조건을 만족하면서 재전송 횟수(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000036
)가 고려되어야 한다.
중계국과 기지국 링크에서 최대 재전송 횟수는 하기 수학식과 같이 결정될 수 있다.
수학식 11
Figure PCTKR2010002672-appb-M000010
수학식 11에서
Figure PCTKR2010002672-appb-I000037
RS-BS 링크에서 한 프레임을 전송하는데 소모되는 전송지연(transmission delay)을 나타내며,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000038
는 RS-BS 링크에서 한 프레임의 전송을 처리하는데 소요되는 처리지연(processing delay)을 나타낸다. 따라서 한 번 재전송 하는 데 소요되는 시간은 전송지연 및 처리지연의 합(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000039
)이 된다. 또한,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000040
는 RS에서 해당 패킷을 서비스 하기까지 대기한 지연 시간을 나타낸다.
최대 재전송 횟수를 구할 때는 이 값들의 평균값을 사용한다. 또는, 동작의 편의를 위해서, 각 통합 패킷의 중계국-기지국 링크에서 최대 재전송 횟수는 해당 통합 패킷에 매핑되는 패킷의 단말-기지국 링크에서 최대 재전송 횟수로 결정할 수도 있다.
위와 같이 지연 요구조건을 만족하는 최대 재전송 횟수가 결정되면 이를 이용하여 적절한 MCS 레벨이 결정될 수 있다.
Ⅴ. MCS 레벨 결정
각 통합 패킷 클래스 별로 지연 요구조건과 FER 요구조건이 결정되면, 이를 만족하면서 수율을 최대화 할 수 있는 MCS 레벨을 결정하여야 한다. 최대 재전송 횟수(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000041
) 및 SNR(signal to noise ratio) 값 γ가 주어졌을 때, 특정 MCS레벨 i의 기대 수율 ET(expected throughput)를
Figure PCTKR2010002672-appb-I000042
라 정의하면 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 12
Figure PCTKR2010002672-appb-M000011
Ri : MCS 레벨 i의 data rate
Fi(x) : FER of MCS level i at instantanous SNR, x
γi : instantaneous SNR of the i-th transmission
수학식 12를 구체적으로 살펴보면, 만약 m번의 전송마다 채널환경이 바뀌지 않는다고 하면, γi=γ가 되며 에러 확률은 [Error probability when m transmissions occur]=
Figure PCTKR2010002672-appb-I000043
가 되므로 수학식 12는,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000044
로 간략화 된다.
그러나 매 전송마다 채널환경이 바뀌게 되다면, 에러 확률은
Figure PCTKR2010002672-appb-I000045
이 되어, 상기 수학식 12는 각각의 γi에 대해서 평균을 취해 주어 다음 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 13
Figure PCTKR2010002672-appb-M000012
상기 수학식 13의 기대 수율
Figure PCTKR2010002672-appb-I000046
은 SNR이 고정이며 HARQ는 체이스 결합기법(Chase Combining)을 적용한 환경을 가정한다. 체이스 결합기법은 재전송 시, 초기 전송과 동일하게 시스티메틱 비트들(Systematic Bits)과 패리티 비트들(Parity Bits)로 이루어진 전체 패킷을 전송하는 방식으로, 수신단에서는 재전송된 패킷과 수신 버퍼에 기 수신된 패킷을 소정의 방식에 의해 결합하여 복호화기로 입력함으로써 복호화기로 입력되는 비트들에 대한 전송 신뢰도를 향상시켜 전체적인 시스템의 성능이득을 얻을 수 있다.
MCS레벨 i의 FER은 하기 수학식 14와 같이 구할 수 있다.
수학식 14
Figure PCTKR2010002672-appb-M000013
수학식 14는 평균 SNR이 γ인 채널에서, N_max 번까지 전송했음에도 불구하고 에러가 날 확률을 의미한다.
상기 확률값도 채널 환경이 변하는 경우에 다음 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 15
Figure PCTKR2010002672-appb-M000014
따라서, L을 MCS 레벨의 집합이라 하면 최적 MCS 레벨은 하기 수학식 16과 같이 구할 수 있다.
수학식 16
Figure PCTKR2010002672-appb-M000015
즉, 각 통합 패킷 클래스의
Figure PCTKR2010002672-appb-I000047
및
Figure PCTKR2010002672-appb-I000048
값을 수학식 14에 대입하면, 통합 패킷 별로 선택되는 MCS 레벨이 다르게 된다. 위와 같이 HARQ의 MCS 레벨 선택시 최대 재전송 횟수뿐만 아니라 FER 요구조건도 고려함으로써, 동적 채널과 같은 채널이 급변하는 상황에서도 정확한 MCS 레벨 선택이 가능하다.
Ⅵ. 자원 할당 및 관리
도 6은 중앙집중식 스케쥴링 (Centralized Scheduling)에 따른 자원할당 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6에 도시된 중앙 집중식 스케줄링 방식에 따르면, 단말(MS: Mobile Station)(10)은 전송할 데이터가 있을 경우, 자원 할당의 요청(BW REQ: Bandwidth Request)을 상기 중계국(RS: Relay Station)(20)으로 전송하고, 상기 중계국(20)은 상기 요청을 기지국(BS: Base Station)(30)으로 전송한다. 그러면, 기지국(30)은 상기 단말(10)에 대한 자원 할당을 결정하여, 전송한다(CDMA Allocation Information Element). 따라서, 중앙 집중식 스케쥴링 방식에 따르면, 기지국이 단말과 중계국에 대한 모든 자원 할당을 관리한다.
도 7은 분산식 스케쥴링 (Distributed Scheduling)에 따른 자원할당 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 7에 도시된 분산식 스케쥴링 방식에 따르면, 중계국(20)이 단말의 요청을 기지국(30)까지 전달해야 하는 오버헤드를 줄이기 위해서, 상기 중계국(20)은 자신에게 주어진 무선 자원을 이용하여, 상기 단말(10)과 중계국(20) 간의 채널 링크, 즉 무선 자원을 관리한다. 즉, 상기 중계국(20)은 자신에게 주어진 무선 자원을 이용하여 상기 단말(10)에게 무선 자원을 적절히 할당한다. 그리고, 상기 기지국(30)은 자신과 상기 중계국(20)간의 채널 링크, 즉 무선 자원을 관리한다. 즉, 상기 기지국(30)은 상기 중계국(20)에게 자원을 할당해준다. 상기 채널 링크는 프레임 단위로 구성된다. 상기 채널 링크 프레임은 초기 레인징을 위한 Initial Maintenance Opportunities 영역과, 유지 관리 레인징, 즉 주기적 레인징 및 대역폭 요청 레인징을 위한 Request Contention Opportunities 영역과, 상기 단말 및 중계국들의 상향 링크 데이터들을 포함하는 SS scheduled data 영역들을 포함한다.
상기 중계국(20)은 단말의 자원 요청을 상기 기지국(30)으로 전달할 필요가 없이 자신에게 포함된 단말만 관리하고, 상기 기지국(30)은 자신에게 연결된 중계국(20)만 관리한다.
도 8은 지연 감소 분산식 스케쥴링 (Distributed Scheduling for Reducing Latency)에 따른 자원할당 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 8에 도시된 지연 감소 분산식 스케쥴링 방식에 따르면, 전술한 분산식 스케쥴링 방식의 지연을 줄이기 위해서, 상기 중계국(20)이 상기 단말(10)로부터 데이터를 수신하기 전에, 상기 중계국(20)은 상기 중계국과 상기 기지국 간의 자원을 상기 기지국에 미리 요청해 둠으로써, 상기 중계국(20)이 상기 단말(10)로부터 데이터를 수신한 즉시 상기 기지국(30)으로 전달할 수 있도록 한다. 따라서 지연 감소 분산식 스케쥴링 방식은 중계국이 단말로부터 성공적으로 데이터를 수신한 이후에, 기지국에 요청하는 분산식 스케쥴링 방식에 비해서 지연을 줄일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자원할당 및 관리의 개념을 나타낸 예시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명은 중계국-기지국 상향링크에 대해서 채널 상황과 트래픽 상황, 즉 데이터의 전송 양을 고려하여, 특정 윈도우 시간(Tw) 마다 주기적으로 전용자원을 할당한다. 이를 위해 본 발명은, 기지국이 중계국에게 전송한 자원 할당 메시지는 특정 윈도우 시간(Tw) 동안 유효한 것으로 설정하고, 상기 중계국은 해당 유효 기간 동안의 매 프레임 시간 (Tf) 마다 별도의 자원 할당 메시지 수신 없이도 기존에 할당된 자원을 활용할 수 있도록 한다.
본 발명의 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식은 기지국과 중계국 사이에 정해진 특정 윈도우 시간(Tw)마다 중계국이 실시간성과 비실시간성 트래픽(데이터) 전체에 대해서 요구되는 대역 정보를 기지국에 피드백하고, 상기 기지국은 피드백 받은 중계국들의 요구 대역 비율로써 중계국들에게 상기 특정 윈도우 시간(Tw) 내에서 유지되는 가상 대역을 할당한다.
상기 특정 윈도우 시간(Tw)은 여러 데이터, 예컨대 재할당 요청의 빈도, 트래픽 초과 시간대 정보 등을 기초로 설정될 수 있다. 상기 특정 윈도우 시간(Tw)은 도 5에 도시된 바와 같이 미리 설정된 개수의 프레임들(Tw=k x Tf)을 포함한다. 상기 프레임은 다수의 시간 슬롯(Time slot), 다수의 TTI(Transmission Time Interval), 또는 다수의 서브프레임(Sub-frame)으로 이루진다.
상기 특정 윈도우 시간(Tw) 내에서는, 상기 중계국은 상기 가상대역으로 할당 받은 자원을 사용하여 전송하기 때문에, 종래 기술과 달리 상기 중계국이 기지국에 접속하기 위한 지연이나 시그널링 오버헤드는 발생하지 않는다. 단지, 상기 특정 윈도우 시간마다 업데이트된 요구 대역 정보의 피드백과 자원 재할당이 필요하다.
상기 중계국은 상기 특정 윈도우 시간(Tw) 내에서 전용으로 사용할 수 있는 자원을 할당 받으면, 먼저 실시간성 트래픽(데이터)에 대해서 추정된 요구 대역만큼 실시간성 트래픽(데이터)에 대해 할당하고, 나머지 자원을 비실시간성 트래픽(데이터)에 대해서 할당하여 사용한다.
이는 실시간성 트래픽(또는 데이터)을 우선적으로 처리하여, 큐에 거의 쌓이지 않도록 함으로써, 실시간성 트래픽(또는 데이터)의 서비스 품질을 만족시키기 위함이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식은 윈도우 시간 내에서는 할당된 가상대역을 전용으로 사용하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있기 때문에 데이터 전송에 대해 시그널링 오비헤드와 지연을 줄일 수 있다.
이하에서는 중계기-기지국 링크에 대해 윈도우 기반 가상대역 다중접속 (W-VBMA) 방식을 적용하는 다양한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 중계국과 기지국의 구성을 개념적으로 나타낸 블록도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 중계기(20)은 가상 요구 대역 추정부(21), 자원 할당 요청부(22), 자원 조정부(23), 트래픽 급증 판단부(24) 및 재할당 요청부(25)를 포함한다.
상기 가상 요구 대역 추정부(21)는 상기 중계기의 트래픽의 양을 트래픽 종류별로 추정한다. 상기 자원할당 요청부(22)는 상기 추정된 가상요구대역을 토대로 상기 기지국(30)에 자원의 할당을 요청하고, 자원을 할당받는다.
상기 자원 조정부(23)는 상기 할당받은 자원을 트래픽의 종류별로 나누어, 각 단말에게 할당한다.
상기 트래픽 급증 판단부(24)는 갑자기 트래픽의 양이 급격하게 늘어나서 추가적인 자원이 즉각적으로 필요한지 여부를 판단한다.
상기 재할당 요청부(25)는 상기 추가적인 자원이 필요한 것으로 판단되면, 상기 기지국에 재할당을 요청한다.
상기 기지국(30)은 윈도우 설정부(31)와 자원 할당 및 재할당부(32)를 포함한다.
상기 윈도우 설정부(31)는 상기 특정 윈도우 시간(Tw)를 설정한다. 이때, 상기 특정 윈도우 시간을 설정하기 위해서, 여러 데이터, 예컨대 재할당 요청의 빈도, 트래픽 초과 시간대 정보 등 이용될 수 있다.
상기 자원 할당 및 재할당부(32)는 상기 중계기(20)로부터 자원 할당 요청 및 재할당 요청을 수신하고, 그에 따라 자원을 할당한다.
이상에서는 상기 중계기(20)와 상기 기지국(30)의 개념적인 구성을 나타내었다. 그러나 상기 중계기(20)와 상기 기지국(30)의 개념적인 구성은 물리적으로 프로세서(예컨대 CPU), 저장수단(예컨대, 메모리, 하드디스크, SSD(Solid State Disk)) 등의 조합으로 구현될 수 있다. 즉, 상기 중계기(200)의 개념적인 구성은 프로그램으로 구현되어 저장수단에 저장될 수 있고, 상기 프로세서에 의해서 실행될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 기지국에서의 동작을 예시적으로 나타낸 흐름도이다.
도시된 바와 같이 상기 기지국(30)은 중계기를 검색하고, 윈도우시간(Tw)을 설정하고, 각 중계기(RS: Relay Station)(20)에게 균등하게 초기 자원을 할당한다(S1111). 그리고, 상기 기지국(30)은 자원 할당 정보와 상기 윈도우 시간을 중계기를 위한 맵, 즉 R-MAP(Relay-MAP)을 통해서 각 중계기에게 알려준다.
상기 R-MAP은 상기 할당된 자원 영역 정보 및 신호의 코딩 정보를 포함한다. 여기서, 상기 기지국(30)의 프레임은 프레임은 크게 하향 링크(DL : Downlink) 부프레임과 상향링크(UL : Uplink) 부프레임으로 나누어지고, 각 부프레임은 단말구간과 중계구간으로 나누어진다. 상기 중계 구간의 시작부분에 R-FCH(Relay-FCH) 및 상기 중계 맵(Relay-MAP)이 위치한다.
이어서, 상기 기지국(30)은 매 윈도우 시간(Tw) 마다 각 중계기(20)로부터 가상요구대역 정보(Qi)를 수신한다(S1112 ~ S1113). 이때, 상기 중계기(20)는 자신에게 이전에 할당된 자원을 이용하여 상기 가상 요구 대역 정보(Qi)를 상기 기지국(30)으로 전송한다.
상기 기지국(30)은 상기 수신한 가상 요구 대역(Qi)의 비율로써 자원을 분할하여 각 중계기에 할당한다(S1114). 그리고 할당된 자원에 대한 정보를 R-MAP(Relay-MAP)을 통해서 각 중계기에 알려준다.
한편, 상기 기지국(30)은 상기 윈도우 시간 주기(Tw)가 아니더라도 재할당 메시지를 수신한다면(S1115), 요청한 중계기의 가상요구대역 정보를 이전 윈도우시간에서 중계기들로부터 수신한 가상요구대역 정보에 업데이트하여, 자원을 다시 분할 및 재할당한다(S1116). 그리고 상기 기지국(30)은 이를 R-MAP을 이용하여 각 중계기에 알려준다. 이때, 상기 윈도우 시간은 변화되지 않도록 하기 위해서 다음 윈도우 주기까지 남은 시간 동안만 재할당 해준 자원을 적용하고, 상기 윈도우 시간 주기(Tw)가 다시 도래하면, 모든 중계기들로부터 수신한 가상 요구 대역 정보를 이용하여 자원을 할당한다.
이와 같이 자원을 할당 및 재할당한 후, 상기 기지국(30)은 각 중계기로부터 할당해 준 자원 영역에서 데이터를 수신한다(S1117).
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 중계기에서의 동작을 예시적으로 나타낸 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 상기 중계기(20)는 자신이 서비스 받을 기지국을 선택하고, 해당 기지국으로부터 초기 자원 할당과 윈도우 시간(Tw)을 수신한다(S1211). 이는 R-MAP을 통해서 수신될 수 있다.
상기 중계기(20)는 상기 윈도우 시간 주기(Tw)가 되면 현재 윈도우시간 내에서 매 프레임시간마다 추정한 평균 가상요구대역정보(Qi)를 상기 기지국(30)에 피드백한다(S1213).
이후, 상기 중계기(20)가 상기 기지국(30)으로부터 대역할당 정보를 R-MAP을 통해서 수신하면(S1214), 자신이 할당받은 자원을 현재 프레임 시간에서 자신의 실시간성 트래픽 (RT: Real-time Traffic) 큐의 점유량과 비실시간성 트래픽(NRT: Non-Real-time Traffic) 큐의 점유량을 이용하여 다시 분할한다. 이때, 실시간성 트래픽(RT)에 대해서 우선적으로 자원을 할당하고(S1215), 나머지를 비실시간성 트래픽(NRT)에 할당(S1216)한다. 이를 통해 상기 중계기(20)는 실시간성 트래픽의 지연을 줄인다.
한편, 상기 윈도우 시간 주기(Tw)에 해당하지 않더라도(S1212), 상기 중계기(20)는 상기 기지국(30)과 달리 매 프레임시간 주기(Tf)에 해당하면(S1217), 실시간성 트래픽 및 비실시간성 트래픽에 대한 가상요구대역(Qi)을 추정하고, 변화량(ΔQi)을 계산한다(S1218).
만약, 현재 가상요구대역 대비 변화량이 정해진 문턱값을 넘을 경우(ΔQi / Qi(t-1)> Qth)(S129), 트래픽 양이 급증한 것으로 판단하고, 상기 기지국(30)에 현재의 가상요구대역 정보를 담은 재할당 요청 메시지를 송신한다(S1220).
상기 기지국(30)으로부터 재할당 요청 메시지에 대한 응답으로 대역 재할당 정보를 R-MAP을 통해 수신하면(S1221), 현재 프레임 사간에서의 실시간성 트래픽과 비실시간성 트래픽 큐의 점유량 정보로 자원을 다시 분배한다(S1215 ~ S1216).
반면, 가상요구대역의 변화량이 문턱값보다 작더라도(S1219), 현재의 프레임 시간에서 실시간성 트래픽과 비실시간성 트래픽 큐의 점유량 정보를 반영하여 실시간성과 비실시간성을 위한 자원을 재분배한다(S1215 ~ S1216).
상기 윈도우시간과 프레임시간 주기 외에는 할당된 자원을 이용하여 기지국에 데이터를 송신한다(S1222).
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 기지국의 상향 링크 서브 프레임 구조를 나타낸 도면이며, 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 중계기의 상향 링크 서브 프레임 구조를 나타낸다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 상향 링크 서브 프레임의 자원은 UL Access Zone과 UL Relay Zone으로 나뉜다.
도 13에서 상기 UL Access Zone은 기지국에 의해 직접 서비스 받는 단말에 의해 사용이 되고, 상기 UL Relay Zone은 기지국에 포함된 중계기에 의해서 사용이 된다. 단말-중계기 링크에 해당하는 상기 UL Access Zone은 기존의 스케쥴링 방식으로 사용된다. 반면, 중계기-기지국 링크는 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식(W-VBMA)을 사용하는 것을 나타낸다.
도 14에서 상기 UL Access Zone은 상기 중계기에 의해 서비스 받는 단말에 의해 사용되고, 상기 UL Relay Zone은 각 중계국이 상기 기지국에 상향 데이터를 전송할 때 사용된다. 상기 UL Access Zone은 상기 중계국이 스케쥴링 기반으로 단말에 자원을 할당한다.
도 13 및 도 14에서 사용된 용어를 설명하면 다음과 같다.
Ranging Subchannel은 동기화 및 BW request 등의 용도의 자원을 나타내며, UL burst (Uplink burst)는 스케쥴링 방식에 의해 할당되는 상향링크 자원 블록을 의미하며, R-UL W-VBMA burst는 W-VBMA 방식에 의해 사용되는 중계기-기지국 상향링크 자원 블록을 의미하며, UL Subframe은 상향링크 하위 프레임을 의미한다.
이하에서는 지금까지 설명한 본 발명에 따른 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식(W-VBMA)을 도 15 및 수식을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 15는 본 발명에 따른 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식을 차트로 나타낸 예시도이다. 도 15에는 윈도우 기반 가상대역 다중접속(W-VBMA) 방식을 이해를 도모하기 위하여 크게 2 단계(Phase)로 나타내었다.
먼저, 첫 번째 단계(BS allocation으로 도시됨)에서는 상기 기지국(30)이 중계기들(20)로부터 실시간성과 비실시간성 트래픽 전체에 대한 요구 대역의 크기를 피드백 받고, 각 중계기의 요구 대역 크기 비율로써 도시된 바와 같이 윈도우 주기(Tw)내에서 UL Relay Zone의 자원을 할당한다.
전체 요구 대역의 크기(Qi: 중계기i 의 전체 요구 대역)는 실시간성 트래픽에 대한 요구 대역 추정치(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000049
)와 비실시간성 트래픽에 대한 큐 점유량 추정치(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000050
)의 합으로 구성된다. 따라서 중계기i에 할당되는 자원은
Figure PCTKR2010002672-appb-I000051
로 결정된다. 여기서 R은 기지국이 중계기들에 대해 할당하는 전체 자원의 크기이고, Q는 중계기들의 전체 요구 대역 크기의 합(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000052
)이다.
중계기에서의 실시간성 트래픽에 대한 요구 대역 추정치(Qi RT)와 비실시간성 트래픽에 대한 큐 점유량 기반의 요구 대역 추정치(Qi NRT)에 대한 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시간성 트래픽은 큐에 거의 쌓이지 않도록 처리하기 위해서 매 윈도우 시간마다 중계기들의 트래픽 양 추정치에 의해서 다음 윈도우 시간에서의 요구 대역 추정치를 결정한다. 윈도우 시간 t에서 중계기i의 실시간성 트래픽에 대한 요구대역 추정치는 아래의 수학식으로 나타낸다.
수학식 17
Figure PCTKR2010002672-appb-M000016
Figure PCTKR2010002672-appb-I000053
윈도우 시간 t에서 다음 윈도우 시간 (t+1)에 요구되는 대역의 추정치는 크게 두가지 항으로 구성된다. 두가지 항은 t에서 실시간성 트래픽의 발생 추정치(Qi RT(t))와 실시간성 트래픽 발생 추정치의 변화량(Δαi RT(t))이다. αi RT(t)는 중계국이 자신에게 접속해 있는 실시간성 트래픽을 가진 단말들로부터 추정이 가능하다. 위의 수학식에서처럼
Figure PCTKR2010002672-appb-I000054
이며, 여기서 K는 실시간성 트래픽 클래스의 집합, nk(t)는 t에서 중계기에 연결되어 있는 실시간성 트래픽 클래스 k의 단말 개수, VK는 실시간성 트래픽 클래스 k의 활성도(activity) 등을 고려한 인자 (
Figure PCTKR2010002672-appb-I000055
),rk는 실시간성 트래픽 클래스 k의 최대 전송률(peak data rate), Tf는 프레임 시간을 나타낸다. 결국, αi RT(t)는 윈도우 시간 t에 프레임 시간 동안 전송 해야할 중계기i에서 단말들에 의해서 발생할 것으로 추정되는 실시간성 트래픽의 양을 나타낸다. 여기서 VK가 1이면 최대 전송률로써 예측이 되고, 트래픽 클래스의 평균 활성도 값이면 평균 전송률로써 예측이 된다실시간성 트래픽 양의 추정치는 시간에 따라서 변하고, 정확한 값이 아니기 때문에 그의 변화량을 이용하여 추가 조정이 가능하다. 위의 수학식에서 αΔαi RT(t)가 이에 해당하며, α를 이용하여 변화량에 대한 민감도를 조절할 수 있다. 이를 위해서 중계국은 윈도우 시간 내에서 프레임 시간 단위로 트래픽을 모니터링 할 필요가 있다.
비실시간성 트래픽은 현재 윈도우 시간에서의 큐 점유량 기반의 요구 대역의 추정치를 이용하여 다음 윈도우 시간에서의 요구 대역 크기를 결정한다. 윈도우 시간 t에서 중계기i의 비실시간성 트래픽에 대한 요구 대역 크기는 다음 수학식으로 결정된다.
수학식 18
Figure PCTKR2010002672-appb-M000017
Figure PCTKR2010002672-appb-I000056
여기서 qi NRT(t+1)는 t+1 시작점에서 비실시간성 트래픽 큐의 점유량, Ai NRT(t+1)는 t+1 에서 프레임 시간당 비실시간성 트래픽 큐의 트래픽 도착 예측량, [Tw/Tf]는 윈도우 시간 내의 프레임 개수이다. 따라서 Qi NRT(t+1)는 t+1 에서 프레임 당 비트 단위의 비실시간성 트래픽을 전송하기 위한 요구대역 추정치를 나타낸다. 여기서 qi NRT(t=1)=(qi NRT(t)+αi NRT(t)-di NRT(t))+으로 표현되고, qi NRT(t)는 t 시작점에서 비실시간성 트래픽 큐 점유량, αi NRT(t)는 t에서 윈도우 시간 동안 비실시간성 트래픽 큐의 트래픽 도착량, di NRT(t)는 t에서 윈도우 시간 동안 비실시간성 트래픽 큐의 서비스 양을 나타난다. Ai NRT(t+1)값은 이전 윈도우 시간내에서 중계기에 의해 매 프레임 시간에서의 값을 모니터링 하여 얻은 값으로 추정할 수 있고, 아래의 수학식과 같이 각각 평균값과 변화량으로 나타낼 수 있다.
수학식 19
Figure PCTKR2010002672-appb-M000018
여기서
Figure PCTKR2010002672-appb-I000057
는 윈도우 시간 t에서 프레임 당 비실시간성 트래픽 큐의 도착량 의 평균값이고, ΔAi NRT(t)는 변화량에 해당한다. 그리고, α를 이용하여 변화량에 대한 민감도를 조절할 수 있다.
한편, 두 번째 단계(RS adjustment로 도시됨)에서는 릴레이가 기지국으로부터 할당 받은 자원을 먼저, 현재 프레임 시간에서 자신의 실시간성 트래픽에 대한 큐 점유량에 의해서 결정된 필요한 자원의 크기(Ri RT)만큼 할당하고, 나머지를 비실시간성 트래픽에 대해서 할당하여 기지국으로 각각의 실제 데이터를 전송한다. 이는 실시간성 트래픽을 우선적으로 전송하여, 큐에 거의 쌓이지 않도록 함으로써 실시간성 트래픽의 서비스 품질을 만족시키기 위함이다. 여기서 Ri RT의 결정은 아래의 수학식으로 정해진다.
수학식 20
Figure PCTKR2010002672-appb-M000019
여기서 Φ(ㆍ)는 비트 단위의 큐 점유량을 채널에 따른 MCS(Modulation and Coding Scheme)를 고려하여 자원의 최소 단위 (i.g. PUSC slot)로 변환하는 함수이고, qi RT는 현재 프레임에서의 비트 단위의 실시간성 트래픽 큐의 점유량을 나타내고, Ri,max RT=βRi이고, Ri,max RT는 릴레이i의 실시간성 트래픽에 대한 최대 자원 할당 크기를 나타낸다. 그리고 이 값은 β∈[0,1]에 따라서 조정이 가능하다. 따라서 이 수학식에서 Ri, Ri RT, Ri,max RT는 자원의 최소 단위인 슬롯의 개수로 정해진다. 실시간성 트래픽에 대한 자원의 크기(Ri RT)가 결정되면 릴레이가 할당 받은 전체 자원(Ri)에서 나머지를 비실시간성 트래픽에 대한 자원의 크기(Ri,max RT)로 결정한다. 따라서 비실시간성 트래픽에 대한 자원의 크기는 Ri NRT=Ri-Ri RT가 된다. 다음으로 릴레이는 1, 2단계에 따라 나누어진 자원을 이용하여 실시간성, 비실시간성 병합 트래픽을 기지국으로 전송한다. 1단계는 기지국에 의해서 정해진 윈도우 시간마다 수행 되고, 2단계는 릴레이에 의해서 프레임 시간마다 수행된다. 윈도우 시간은 채널, 트래픽 상황에 따라 기지국이 조정 가능하다.
각 중계기에서 트래픽이 급증하여 다음 윈도우 시간까지 기다릴 수 없는 경우, 즉각적인 자원의 재할당이 필요로 된다. 이를 지원하기 위해서 각 중계국은 매 프레임시간마다 가상요구대역을 추정하는 것과 병행하여 변화량을 계산한다. 가상요구대역의 변화량은 아래의 수학식으로 계산한다.
수학식 21
Figure PCTKR2010002672-appb-M000020
여기서 i는 중계기 인덱스이고, t 는 현재 윈도우시간, n 은 현재 윈도우시간 내에서 n번째 프레임을 의미한다(n=1,2,...,Tw/Tf). 따라서 ΔQ(t,n)는 이전 윈도우시간 (t-1)에서의 가상요구대역(Qi(t))으로부터 현재 프레임에서 가상요구대역이 얼마나 증가했는지를 나타내는 수치이다.
가상요구대역의 변화량이 급증하였는지는 아래의 수학식으로써 판단한다.
수학식 22
Figure PCTKR2010002672-appb-M000021
여기서 Ti(t;n)는 윈도우시간 t의 n번째 프레임에서 변화량 테스트 값이고, 이 값이 미리 설정된 0보다 큰 실수(x+) 인자인 Qth보다 크면 트래픽이 급증한 것으로 판단한다. 따라서 Qth를 조정하여 변화량 판단의 민감도를 조절할 수 있다. 트래픽이 급증한 것으로 판단되면, 중계국은 윈도우시간 t의 n번째 프레임에서 추정된 현재 가상요구대역 Qi(t;n)을 포함하여 재할당 요청 메시지를 기지국에 전송한다. 기지국은 재할당 요청 메시지를 수신하면, 이전 윈도우시간에서 중계기들로부터 수신한 가상대역정보에 재할당 요청 메시지로부터 수신한 해당 중계기의 가상대역정보를 업데이트하여 자원을 재할당하고, R-MAP(Relay-MAP)을 이용하여 각 중계기에 알려준다. 이러한 과정을 통해서 특정 중계기에서 갑자기 트래픽이 급증할 경우에도 즉각적으로 대처할 수 있다.
이상에서는 중계기-기지국 링크에 대해 본 발명의 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식을 적용하는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식은 기지국-단말 간의 링크에 대해서도 적용될 수 있다. 즉, 기지국은 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식으로 단말의 자원을 할당할 수도 있다. 유사하게 중계기-단말 링크에 대해서도 본 발명의 윈도우 기반 가상대역 다중접속 방식을 적용할 수 있다. 즉, 기지국이 중계기에게 일정한 가상 대역을 할당하고 중계기는 할당된 가상 대역 내에서 자신의 단말과의 송수신을 수행한다.
앞서 살펴본 바와 같이, 통합 패킷의 데이터 통합 방식 및 MCS 레벨 등이 결정되면, 중계국은 통합 패킷을 기지국으로 전달하기 위하여 기지국으로부터 자원을 할당받아 패킷을 전달한다. 상기 자원할당은 기지국이 각 통합 패킷의 자원 영역이나 MCS 레벨 등을 결정하여 알려주는 방법과, 중계국이 현재 채널 상태나 트래픽 상황을 고려하여 각 통합 패킷이 사용할 자원의 영역 및 MCS 레벨을 결정하고 상향링크 신호를 통해서 상기 결정 내용을 기지국으로 알려주는 방법이 있다.
1. 기지국에서 자원할당 방식 결정
중계국은 RS-BS의 채널 상황에 따라 데이터 통합 방식을 결정하여 기지국으로 알려준다. 기지국은 시스템 설정 초기에 통합 패킷 클래스 각각에 대해서
Figure PCTKR2010002672-appb-I000058
및
Figure PCTKR2010002672-appb-I000059
값을 계산하여 알고 있을 수 있으나,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000060
및
Figure PCTKR2010002672-appb-I000061
값은 바람직하게는 일정 시간마다 RS가 BS로 업데이트하여 알려줄 수 있다.
RS는 처리해야 할 총 트래픽 양과 통합 패킷 클래스 각각의 트래픽 양을 계산하여, 이를 BS에 알려줌으로써 자원 요청을 한다.
BS는 RS-BS의 채널 정보, 각 통합 패킷 클래스의
Figure PCTKR2010002672-appb-I000062
및
Figure PCTKR2010002672-appb-I000063
값과 트래픽 양을 고려하여 각 통합 패킷 영역에서 사용할 MCS 레벨을 결정하고, RS에게 할당할 자원을 결정하며, 할당할 자원에서 특정 통합 패킷이 매핑될 위치를 결정한다.
바람직하게는, BS는 통합 패킷 클래스 수만큼의 통합 패킷 영역을 만든다. 따라서 BS는 특정 RS가 사용할 자원의 위치, 각 통합 패킷 클래스가 매핑될 자원의 위치 및 MCS 정보를 하향링크(Downlink) MAP을 통하여 RS에 알려준다. BS는 특정 시점에 특정 RS에게 전송하는 상향링크 승인 메시지(UL grant message)를 통해서 두 개 이상의 서로 다른 통합 패킷 클래스의 전송을 스케줄링(Scheduling) 할 수 있게 된다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 통합 패킷의 자원 매핑 방식을 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 BS에서 통합 패킷의 자원할당을 결정하여 DL MAP을 통하여 RS로 알려주며, 앞서 설명한 중계국의 통합 패킷 구성 방법 중 제2 통합방식을 기준으로 설명하면 다음과 같다.
데이터 통합 방식 중 제2 통합방식은 3개의 클래스로 구성된 통합 패킷이 만들어지므로 3가지의 서로 다른 MCS 레벨이 사용될 수 있다. 따라서 3개의 구분된 통합 패킷 영역이 필요하다. 도 16에 도시된 바와 같이 WRSi는 다수 RS 중 i 번째 RS로 자원을 할당한 대역을 나타내며, WAPi는 i번째 통합 패킷이 할당받은 대역(위치)을 나타낸다. 통합 패킷이 사용할 자원의 경계는 도시된 바와 같이 대역으로 나뉘어 질 수도 있으며, 자원 블록의 최소 단위인 슬롯(Slot)의 개수로 나뉘어 질 수도 있으며 이는 BS에서 결정한다. 또한, BS에서 결정된 이들 값은 재전송이 이루어지는 동안은 고정적으로 유지되어야 하며, 채널 상황 및 트래픽 양에 따라서 일정 시간 간격을 두고 업데이트 될 수 있다. 또한, 서로 다른 통합 패킷 영역(WAPi)마다 서로 다른 MCS 레벨이 적용될 수 있다. 하나의 통합 패킷 영역은 항상 특정한 통합 패킷 클래스에 국한 되지 않고, 유동적으로 사용될 수 있다. 또한, DATAi는 i번째 통합 패킷의 데이터가 실리는 부분을 의미한다.
하향링크 맵(DL MAP)을 통해서는 자원 할당 대역 정보(WRSi), i번째 통합 패킷이 할당받은 슬롯의 개수(
Figure PCTKR2010002672-appb-I000064
), 재전송이 일어난 횟수 NR(Number of retransmissions), MCS 레벨 정보 및 자원 할당 정보 등이 포함되어 BS에서 RS로 전송된다.
바람직하게는, BS는 한 시점(예를 들어 서브프레임)에 한 RS가 여러 통합 패킷을 전송하도록 스케줄링 할 수 있다. 그러나, 복수의 통합 패킷 전송을 단일 시점에 모두 전송하기 어려운 경우에는, BS는 한 시점에는 한 통합 패킷만을 전송하도록 스케줄링하고 서로 다른 통합 패킷 클래스는 서로 다른 시점에 전송하도록 스케줄링 할 수도 있다. 만일 서로 다른 통합 패킷 클래스가 서로 다른 시점에 전송되도록 스케쥴링 한 경우에는 각 전송 시점이 어떤 통합 패킷 클래스의 전송에 할당되는지를 알려주는 제어정보를 BS와 RS간에 교환하거나, 또는 BS가 매 시점마다 전송하는 MAP message에 어떤 클래스의 통합 패킷을 전송할지를 알리는 클래스 지시자(Class indicator)를 포함할 수도 있다.
각 클래스의 시간 지연조건을 만족하기 위해서는, 앞서 설명한 바 있는 최대 재전송 횟수를 설정할 때에, 해당 클래스의 통합 패킷 전송 시점까지 대기하는 시간이 추가로 반영되어서 설정될 수 있다.
2. 중계국에서 자원할당 결정
RS가 자원 할당을 결정하는 경우에는, RS가 사용할 수 있는 전체 자원은 BS로부터 할당 받고 각 통합 패킷이 사용할 자원의 위치와 MCS 레벨은 RS에서 결정하여 BS에 알려준다. 이때, RS는 각 통합 패킷이 사용할 자원의 위치와 MCS 레벨 정보를 MAP 정보 또는 제어채널(control channel)을 통한 제어정보에 포함하여 통합 패킷과 함께 BS로 전송할 수 있다. 이하에서는 RS가 자원할당을 결정하여 BS로 이에 대한 정보를 통보하는 절차에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, RS는 RS-BS의 채널 상황에 따라 데이터 통합 방식을 결정한다.
통합 패킷 클래스 각각의
Figure PCTKR2010002672-appb-I000065
및
Figure PCTKR2010002672-appb-I000066
값은 시스템 설정 초기에 계산되거나 또는 일정 시간 마다 업데이트 한다.
RS는 자신이 처리해야 할 총 트래픽 양과 통합 패킷 클래스 각각의 트래픽 양을 계산하고 RS-BS의 채널,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000067
및
Figure PCTKR2010002672-appb-I000068
정보를 이용하여 통합 패킷 클래스의 MCS 레벨을 결정한다.
결정된 MCS 레벨 정보를 바탕으로 전체 필요한 자원의 크기를 산출하여 BS에 요청하면, BS는 요청 받은 자원의 크기를 고려하여 RS에게 자원을 할당한다.
RS는 BS로부터 할당 받은 자원을 각 통합 패킷 클래스의 트래픽 양과 MCS 레벨을 고려하여 통합 패킷 클래스 수만큼의 영역으로 나눈다. 이후 RS는 각 통합 패킷 클래스가 매핑될 자원의 위치, 각 통합 패킷 클래스별 MCS 정보 및 NR 정보를 상향링크 MAP을 통하여 BS에 알려준다.
바람직하게는, BS가 각 통합 패킷 영역의 MAP 정보를 용이하게 수신하도록 하기 위해서는 중계국이 기지국에게 전송하는 통합 패킷 영역의 MAP 정보의 위치나 MAP 정보 영역의 크기, 사용된 MCS 레벨을 한 가지로 고정하거나 몇 가지의 가능성 중 하나를 선택하도록 제한될 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 통합 패킷의 자원 매핑 방식을 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 RS에서 통합 패킷의 자원할당을 결정하여 UL MAP을 통하여 BS로 알려주며, 앞서 설명한 중계국의 통합 패킷 구성 방법 중 제2 통합방식을 기준으로 이하 설명한다.
WRSi는 다수 RS 중 i 번째 RS로 자원을 할당한 대역을 나타내며,
Figure PCTKR2010002672-appb-I000069
는 i번째 통합 패킷이 할당받은 슬롯의 개수를 나타낸다. 통합 패킷이 사용할 자원의 경계는 도시된 바와 같이 슬롯의 개수로 나뉘어 질 수도 있으나, 주파수 대역으로 나뉘어 질 수도 있으며 이는 RS 또는 BS에서 결정할 수 있다.
데이터 통합 방식 중 제2 통합방식은 3개의 통합 패킷이 만들어지므로 3가지의 서로 다른 MCS 레벨이 사용될 수 있다. DATA는 i번째 통합 패킷의 데이터가 실리는 부분을 의미하며, 제2 통합 방식을 사용할 경우에는 도시된 바와 같이 3개의 구분된 통합 패킷 영역이 필요하다.
상향링크 맵(UL MAP)을 통해서는 자원 할당 대역 정보, i번째 통합 패킷이 할당받은 슬롯의 개수, 재전송이 일어난 횟수 NR(Number of retransmissions), MCS 레벨 정보 및 할당된 자원의 크기 정보 등이 포함되어 RS에서 BS로 전송된다. 도 17에서의 MAP의 크기는 사용될 수 있는 슬롯의 개수로 정의할 수도 있다.
Ⅶ. 데이터 전송 장치
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 장치를 도시한 블록도이다.
도시된 바와 같이 단말로부터 수신된 패킷 데이터를 통합 패킷으로 재구성하여 기지국으로 전송하는 중계국은 제어기(801), 송수신기(803) 및 메모리(805)를 포함하여 구성된다.
송수신기(803)는 상기 단말 및 기지국으로부터 데이터를 송수신한다.
메모리(805)는 상기 단말 및 기지국으로부터 송수신된 데이터를 저장하고, 상기 단말로부터 수신된 다수의 패킷 데이터를 소정 방식으로 통합하여 기지국으로 전송하기 위한 소정 데이터 통합 방식이 저장된다. 상기 데이터 통합 방식은 예를 들어, 앞서 표 2 내지 표 4를 참조하여 설명한 실시예들이 적용될 수도 있다.
제어기(801)는 단말로부터 수신된 데이터를 기지국으로 전송하기 위하여 본 발명에 따른 통합 패킷을 구성하고 데이터 송수신을 제어한다.
바람직하게는, 제어기(801)는 송수신기(803)로 수신된 패킷 데이터를 상기 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하고, 통합 패킷 클래스를 변조(Modulation) 및 코딩(Coding)하여 상기 통합 패킷을 구성하고 송수신기(803)를 통해서 기지국으로 전송한다.
여기까지 설명된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장 매체(예를 들어, 단말 내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드 디스크, 기타 등등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예를 들어, 단말 내부 마이크로 프로세서)에 의해서 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (20)

  1. 다중홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 통신시스템에서 중계국(Relay Station)의 데이터 전송 방법에 있어서,
    단말로부터 수신되는 다수의 패킷(Packet) 데이터를 통합하여 기지국으로 전송하기 위한 데이터 통합 방식을 결정하는 단계;
    단말로부터 패킷 데이터를 수신하여 상기 결정된 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하는 단계;
    상기 저장된 통합 패킷 클래스의 QoS(Quality of Service) 요구조건 및 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계;
    상기 결정된 MCS 레벨에 따라서 필요한 자원을 산출하고 기지국으로 상기 자원의 할당을 요청하는 단계;
    상기 기지국으로부터 자원 할당을 승인받고, 상기 통합 패킷 클래스를 변조, 코딩 및 상기 자원에 매핑(Mapping)하여 통합 패킷을 구성하는 단계; 및
    상기 구성된 통합 패킷을 상기 기지국으로 전송하는 단계를 포함하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 통합 방식 결정 단계에서 결정되는 상기 데이터 통합 방식은 데이터 지연 요구조건 및 FER(Frame Error Ratio) 요구조건을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 패킷 클래스의 QoS 요구조건은 지연 요구조건 및 FER 요구조건을 포함하며,
    상기 통합 패킷의 지연 요구조건은 해당 통합 패킷이 포함하는 각 통합 패킷 클래스의 지연 요구조건 중 가장 엄격한 지연 요구조건을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 통합 패킷 클래스의 QoS 요구조건 및 MCS 레벨 결정 단계는,
    HARQ (Hybrid Automatic Retransmission request)를 위한 최대 허용 재전송 횟수를 결정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 최대 허용 재전송 횟수는 중계국-기지국 링크에서 한 프레임을 전송하는데 소모되는 전송지연(transmission delay)과, 중계국-기지국 링크에서 한 프레임의 전송을 처리하는데 소요되는 처리지연(processing delay)과, 중계국에서 해당 패킷을 서비스하기까지 대기한 지연 시간을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 통합 패킷 구성 단계는,
    상기 기지국에서 상기 할당된 자원 영역에서 상기 통합 패킷에 포함된 적어도 하나 이상의 상기 통합 패킷 클래스가 매핑될 위치를 지정하여 하향링크 맵(Downlink MAP)을 통해서 상기 중계국으로 알려주는 것을 특징으로 하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  6. 다중홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 통신시스템에서 중계국(Relay Station)의 데이터 전송 방법에 있어서,
    단말로부터 수신되는 다수의 패킷(Packet) 데이터를 소정 방식으로 통합하여 기지국으로 전송하기 위한 데이터 통합 방식을 결정하는 단계;
    단말로부터 패킷 데이터를 수신하여 상기 결정된 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하는 단계;
    상기 저장된 통합 패킷 클래스의 QoS(Quality of Service) 요구조건 및 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계;
    상기 결정된 MCS 레벨에 따라서 필요한 자원을 산출하고 기지국으로 상기 자원의 할당을 요청하는 단계;
    상기 기지국으로부터 자원을 할당 받아, 상기 통합 패킷 클래스의 트래픽 양과 MCS 레벨에 따라서 상기 통합 패킷 클래스 별로 상기 기지국으로부터 할당된 자원의 영역을 구분하여 매핑하는 단계; 및
    상향링크 맵(Uplink MAP)을 통해서 상기 통합 패킷 클래스가 매핑(Mapping)된 자원의 위치 및 MCS 레벨 정보를 상기 기지국으로 전송하는 단계를 포함하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 데이터 통합 방식 결정 단계에서 결정되는 상기 데이터 통합 방식은 데이터 지연 요구조건 및 FER(Frame Error Ratio) 요구조건을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 통합 패킷 클래스의 QoS 요구조건은 지연 요구조건 및 FER 요구조건을 포함하며,
    상기 통합 패킷의 지연 요구조건은 해당 통합 패킷이 포함하는 각 통합 패킷 클래스의 지연 요구조건 중 가장 엄격한 지연 요구조건을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 중계국의 데이터 전송 방법.
  9. 다중홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 통신시스템에서 단말의 데이터를 중계하여 기지국으로 전송하는 데이터 전송 장치에 있어서,
    상기 단말 및 기지국으로부터 데이터를 송수신하는 송수신기;
    상기 단말 및 기지국으로부터 송수신된 데이터 및 상기 단말로부터 수신된 다수의 패킷 데이터를 소정 방식으로 통합하여 기지국으로 전송하기 위한 소정 데이터 통합 방식이 저장된 메모리; 및
    상기 단말로부터 수신된 데이터를 상기 기지국으로 전송하기 위하여 통합 패킷을 구성하고 데이터 송수신을 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 송수신기로 수신된 패킷 데이터를 상기 데이터 통합 방식에 따라서 적어도 하나 이상의 통합 패킷 클래스로 분류하여 저장하고, 상기 통합 패킷 클래스를 변조 및 코딩하여 상기 통합 패킷을 구성하여 상기 송수신기를 통해서 상기 기지국으로 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제어기는 데이터 지연 요구조건 및 FER(Frame Error Ratio) 요구조건을 기준으로 적어도 하나 이상의 상기 통합 패킷 클래스를 포함하는 상기 데이터 통합 방식을 결정하여 상기 메모리에 저장하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 통합 패킷 클래스의 지연 요구조건 및 FER 요구조건을 결정하며,
    상기 통합 패킷의 지연 요구조건은 해당 통합 패킷이 포함하는 각 통합 패킷 클래스의 지연 요구조건 중 가장 엄격한 지연 요구조건을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  12. 중계국에서 자원을 관리하는 방법에 있어서,
    기지국으로부터 윈도우 시간(Tw)에 대한 정보를 수신하는 단계와;
    상기 윈도우 시간 내에 상기 기지국에 필요한 대역의 할당을 요청하는 단계와;
    상기 할당된 대역에 기반하여, 하나 이상의 단말에 상기 할당받은 대역을 분배 할당하는 단계와;
    상기 윈도우 시간이 도래하기 전이라도, 추가 대역폭이 필요한 경우 상기 기지국에 대역의 재할당을 요청하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 관리 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 대역의 할당 요청 단계에서는,
    실시간 대역 정보(Qi RT)와 비실시간 대역 정보(Qi NRT)를 포함하는 가상 요구 대역 정보가 상기 기지국으로 전송되는 것을 특징으로 하는 자원 관리 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 재할당 요청 단계는
    매 프레임(Tf) 마다 필요한 대역을 추정하는 단계와;
    상기 매 프레임에서 필요한 대역의 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 재할당 요청 단계는
    상기 변화량이 미리 설정된 임계값을 넘는지 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 할당 및 재할당받은 대역폭을 하나 이상의 단말에 분배하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 분배 단계에서
    상기 할당 및 재할당받은 대역 중 상기 하나 이상의 단말에 실시간 트래픽을 위한 대역을 분배하는 단계와;
    상기 분배되고 남은 대역을 상기 하나 이상의 단말에 비실시간 트래픽을 위한 대역으로 분배하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
  18. 기지국이 중계국에 자원을 할당하는 방법에 있어서,
    하나 이상의 중계국으로부터 대역 할당 요청을 수신하는 단계와;
    미리 결정된 윈도우 주기 내에서 상기 하나 이상의 중계국에 대역을 할당하는 단계와;
    상기 미리 결정된 윈도우 주기가 도래하기 전에, 상기 하나 이상의 중계국으로부터 대역 재할당 요청을 수신하면, 상기 하나 이상의 중계국에 대역을 재할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 미리 결정된 윈도우 주기가 도래하면
    상기 하나 이상의 중계국으로부터 새로운 대역 할당 요청을 수신하는 단계와;
    상기 새로운 대역 할당 요청에 따라 대역을 할당하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 대역 할당 단계는
    상기 중계국으로부터 수신되는 가상 요구 대역 정보에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
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