WO2016028082A2 - 무선 통신 시스템에서 non-cazac 시퀀스를 이용하여 파일럿 시퀀스를 생성하고 전송하는 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 non-cazac 시퀀스를 이용하여 파일럿 시퀀스를 생성하고 전송하는 방법 Download PDF

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Definitions

  • the following description relates to a wireless communication system, and more particularly, to a method and apparatus for generating and transmitting a pilot sequence using a Non-CAZAC sequence in a WLAN system.
  • WLAN is based on radio frequency technology, and can be used in homes, businesses, or businesses by using portable terminals such as personal digital assistants (PDAs), laptop computers, and portable multimedia players (PMPs). It is a technology that allows wireless access to the Internet in a specific service area.
  • PDAs personal digital assistants
  • PMPs portable multimedia players
  • IEEE 802.11n supports High Throughput (HT) with data throughput up to 540 Mbps or more, and also uses multiple antennas at both the transmitter and receiver to minimize transmission errors and optimize data rates.
  • HT High Throughput
  • MIMO Multiple Inputs and Multiple Outputs
  • IEEE 802.11 WLAN system a technical standard for supporting M2M communication is being developed as IEEE 802.11ah.
  • M2M communications you may want to consider a scenario where you occasionally communicate a small amount of data at low speeds in an environment with many devices.
  • Communication in a WLAN system is performed in a medium shared between all devices.
  • M2M communication it is necessary to improve the channel access mechanism more efficiently in order to reduce unnecessary power consumption and interference.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of general technology, and an object of the present invention is to facilitate efficient information transmission through the design of pilot sequences.
  • Another object of the present invention is to ensure the maximum performance of the receiver even when a non-CAZAC sequence is used.
  • a method of transmitting a pilot sequence includes: generating a baseline sequence having a Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation (Non-CAZAC) characteristic, shifting the baseline sequence on a time axis, Generating a pilot sequence, and transmitting any one pilot sequence selected from a sequence set consisting of a plurality of pilot sequences to a receiver, wherein the shifting is performed such that correlation between the plurality of pilot sequences is minimized; Each pilot sequence included in the sequence set corresponds to different additional information to be transmitted to the receiver.
  • Non-CAZAC Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation
  • the minimum value of the shifting may be determined in consideration of at least one of a channel valid delay period and a timing offset.
  • the minimum value of shifting may be determined taking into account only the channel valid delay interval.
  • the generating of the plurality of pilot sequences may use a quantized chu sequence as the plurality of pilot sequences.
  • the quantized weight sequence may be generated by approximating the phase of the weight sequence to the phase of any one of the predetermined constellations.
  • the predetermined constellation may be any one of binary phase shift keying (BPSK), quadrature phase shift keying (QPSK), phase shift keying (8-PSK), 16-PSK, and 32-PSK.
  • BPSK binary phase shift keying
  • QPSK quadrature phase shift keying
  • 8-PSK phase shift keying
  • 16-PSK 16-PSK
  • 32-PSK 32-PSK
  • the transmitter for solving the above technical problem includes a transmitter, a receiver, and a processor connected to the transmitter and the receiver to operate, wherein the processor includes a baseline having a Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation (Non-CAZAC) characteristic.
  • Non-CAZAC Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation
  • Generate a sequence generate a plurality of pilot sequences by shifting the baseline sequence on the time axis, and transmit any one pilot sequence selected from the sequence set consisting of the plurality of pilot sequences to the receiver, wherein the shifting is performed.
  • the correlation between the plurality of pilot sequences is performed to be minimum, and each pilot sequence included in the sequence set corresponds to different additional information to be transmitted to the receiver.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an exemplary structure of an IEEE 802.11 system to which the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating another exemplary structure of an IEEE 802.11 system to which the present invention can be applied.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another exemplary structure of an IEEE 802.11 system to which the present invention can be applied.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an exemplary structure of a WLAN system.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a link setup process in a WLAN system.
  • FIG. 6 is a diagram for describing a backoff process.
  • 7 is a diagram for explaining hidden nodes and exposed nodes.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an RTS and a CTS.
  • FIG. 9 is a diagram for describing a power management operation.
  • 10 to 12 are diagrams for explaining in detail the operation of the STA receiving the TIM.
  • 13 is a diagram for explaining a group-based AID.
  • 14 through 16 are diagrams illustrating examples of an operation of an STA when a group channel access interval is set.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a frame structure according to an embodiment of the present invention.
  • 18 is a diagram illustrating a pilot sequence.
  • 19 is a diagram illustrating circular shifting of a pilot sequence.
  • 20 is a diagram illustrating the structure of a receiver for pilot sequence identification.
  • 21 is a diagram illustrating a received signal of a sequence set received by a receiver.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining a sequence set including pilot sequences generated at predetermined intervals.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating a received signal of the sequence set described with reference to FIG. 22.
  • 24 is a diagram illustrating a timing offset.
  • 25 is a diagram illustrating a received signal in consideration of a timing offset.
  • FIG. 26 is a diagram illustrating a process of adjusting the size of a zero correlation zone (ZCZ) in consideration of a timing offset.
  • 27 is a diagram for explaining a pilot sequence using a CAZAC sequence.
  • 29 is a view illustrating a reception process of a pilot sequence using a non-CAZAC sequence.
  • 30 is a diagram illustrating a correlation between pilot sequences according to shifting values.
  • 31 is a diagram illustrating an embodiment using a quantized Chu sequence.
  • 32 is a flowchart illustrating an operation process of a transmitter and a receiver according to an exemplary embodiment.
  • 33 is a diagram illustrating a configuration of a terminal and a base station according to an embodiment of the present invention.
  • each component or feature may be considered to be optional unless otherwise stated.
  • Each component or feature may be embodied in a form that is not combined with other components or features.
  • some of the components and / or features may be combined to form an embodiment of the present invention.
  • the order of the operations described in the embodiments of the present invention may be changed. Some components or features of one embodiment may be included in another embodiment, or may be replaced with corresponding components or features of another embodiment.
  • the base station is meant as a terminal node of a network that directly communicates with a mobile station.
  • the specific operation described as performed by the base station in this document may be performed by an upper node of the base station in some cases.
  • various operations performed for communication with a mobile station in a network consisting of a plurality of network nodes including a base station may be performed by the base station or network nodes other than the base station.
  • the 'base station' may be replaced by terms such as a fixed station, a Node B, an eNode B (eNB), an advanced base station (ABS), or an access point.
  • a 'mobile station (MS)' may be a user equipment (UE), a subscriber station (SS), a mobile subscriber station (MSS), a mobile terminal, an advanced mobile station (AMS), a terminal. (Terminal) or a station (STAtion, STA) and the like can be replaced.
  • UE user equipment
  • SS subscriber station
  • MSS mobile subscriber station
  • AMS advanced mobile station
  • Terminal or a station (STAtion, STA) and the like can be replaced.
  • the transmitting end refers to a fixed and / or mobile node that provides a data service or a voice service
  • the receiving end refers to a fixed and / or mobile node that receives a data service or a voice service. Therefore, in uplink, a mobile station may be a transmitting end and a base station may be a receiving end. Similarly, in downlink, a mobile station may be a receiving end and a base station may be a transmitting end.
  • the description that the device communicates with the 'cell' may mean that the device transmits and receives a signal with the base station of the cell. That is, a substantial target for the device to transmit and receive a signal may be a specific base station, but for convenience of description, it may be described as transmitting and receiving a signal with a cell formed by a specific base station.
  • the description of 'macro cell' and / or 'small cell' may not only mean specific coverage, but also 'macro base station supporting macro cell' and / or 'small cell supporting small cell', respectively. It may mean 'base station'.
  • Embodiments of the present invention may be supported by standard documents disclosed in at least one of the wireless access systems IEEE 802.xx system, 3GPP system, 3GPP LTE system and 3GPP2 system. That is, obvious steps or parts which are not described among the embodiments of the present invention may be described with reference to the above documents.
  • FIG. 1 is a diagram showing an exemplary structure of an IEEE 802.11 system to which the present invention can be applied.
  • the IEEE 802.11 structure may be composed of a plurality of components, and a WLAN supporting station mobility (STA) that is transparent to a higher layer may be provided by their interaction.
  • the Basic Service Set (BSS) may correspond to a basic building block in an IEEE 802.11 LAN.
  • FIG. 1 exemplarily shows that two BSSs (BSS1 and BSS2) exist and include two STAs as members of each BSS (STA1 and STA2 are included in BSS1 and STA3 and STA4 are included in BSS2). do.
  • an ellipse representing a BSS may be understood to represent a coverage area where STAs included in the BSS maintain communication. This area may be referred to as a basic service area (BSA).
  • BSA basic service area
  • the most basic type of BSS in an IEEE 802.11 LAN is an independent BSS (IBSS).
  • the IBSS may have a minimal form consisting of only two STAs.
  • the BSS (BSS1 or BSS2) of FIG. 1, which is the simplest form and other components are omitted, may correspond to a representative example of the IBSS.
  • This configuration is possible when STAs can communicate directly.
  • this type of LAN may not be configured in advance, but may be configured when a LAN is required, which may be referred to as an ad-hoc network.
  • the membership of the STA in the BSS may be dynamically changed by turning the STA on or off, the STA entering or exiting the BSS region, and the like.
  • the STA may join the BSS using a synchronization process.
  • the STA In order to access all services of the BSS infrastructure, the STA must be associated with the BSS. This association may be set up dynamically and may include the use of a Distribution System Service (DSS).
  • DSS Distribution System Service
  • FIG. 2 is a diagram illustrating another exemplary structure of an IEEE 802.11 system to which the present invention can be applied.
  • components such as a distribution system (DS), a distribution system medium (DSM), and an access point (AP) are added in the structure of FIG. 1.
  • DS distribution system
  • DSM distribution system medium
  • AP access point
  • the station-to-station distance directly in the LAN can be limited by physical performance. In some cases, this distance limit may be sufficient, but in some cases, communication between more distant stations may be necessary.
  • the distribution system DS may be configured to support extended coverage.
  • the DS refers to a structure in which BSSs are interconnected. Specifically, instead of the BSS independently as shown in FIG. 1, the BSS may exist as an extended type component of a network composed of a plurality of BSSs.
  • DS is a logical concept and can be specified by the nature of the distribution system media (DSM).
  • the IEEE 802.11 standard logically separates Wireless Medium (WM) and Distribution System Media (DSM). Each logical medium is used for a different purpose and is used by different components.
  • the definition of the IEEE 802.11 standard does not limit these media to the same or to different ones.
  • the plurality of media logically different, the flexibility of the IEEE 802.11 LAN structure (DS structure or other network structure) can be described. That is, the IEEE 802.11 LAN structure can be implemented in various ways, the corresponding LAN structure can be specified independently by the physical characteristics of each implementation.
  • the DS may support the mobile device by providing seamless integration of multiple BSSs and providing logical services for handling addresses to destinations.
  • An AP means an entity that enables access to a DS through WM for associated STAs and has STA functionality. Data movement between the BSS and the DS may be performed through the AP.
  • STA2 and STA3 shown in FIG. 2 have the functionality of a STA, and provide a function to allow associated STAs STA1 and STA4 to access the DS.
  • all APs basically correspond to STAs, all APs are addressable entities. The address used by the AP for communication on the WM and the address used by the AP for communication on the DSM need not necessarily be the same.
  • Data transmitted from one of the STAs associated with an AP to the STA address of that AP may always be received at an uncontrolled port and processed by an IEEE 802.1X port access entity.
  • transmission data (or frame) may be transmitted to the DS.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another exemplary structure of an IEEE 802.11 system to which the present invention can be applied. 3 conceptually illustrates an extended service set (ESS) for providing wide coverage in addition to the structure of FIG. 2.
  • ESS extended service set
  • a wireless network of arbitrary size and complexity may be composed of DS and BSSs.
  • this type of network is called an ESS network.
  • the ESS may correspond to a set of BSSs connected to one DS. However, the ESS does not include a DS.
  • the ESS network is characterized by what appears to be an IBSS network at the LLC (Logical Link Control) layer. STAs included in the ESS may communicate with each other, and mobile STAs may move from within one BSS to another BSS (within the same ESS) transparently to the LLC.
  • LLC Logical Link Control
  • BSSs can be partially overlapped, which is a form commonly used to provide continuous coverage.
  • the BSSs may not be physically connected, and logically there is no limit to the distance between the BSSs.
  • the BSSs can be located at the same physical location, which can be used to provide redundancy.
  • one (or more) IBSS or ESS networks may be physically present in the same space as one (or more than one) ESS network.
  • the ad-hoc network is operating at the location of the ESS network, if IEEE 802.11 networks are physically overlapped by different organizations, or if two or more different access and security policies are required at the same location. It may correspond to an ESS network type in a case.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an exemplary structure of a WLAN system.
  • an example of an infrastructure BSS including a DS is shown.
  • BSS1 and BSS2 constitute an ESS.
  • an STA is a device that operates according to MAC / PHY regulations of IEEE 802.11.
  • the STA includes an AP STA and a non-AP STA.
  • Non-AP STAs are devices that users typically handle, such as laptop computers and mobile phones.
  • STA1, STA3, and STA4 correspond to non-AP STAs
  • STA2 and STA5 correspond to AP STAs.
  • a non-AP STA includes a terminal, a wireless transmit / receive unit (WTRU), a user equipment (UE), a mobile station (MS), and a mobile terminal. May be referred to as a Mobile Subscriber Station (MSS).
  • the AP may include a base station (BS), a node-B, an evolved Node-B (eNB), and a base transceiver system (BTS) in other wireless communication fields.
  • BS base station
  • eNB evolved Node-B
  • BTS base transceiver system
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a general link setup process.
  • an STA In order for an STA to set up a link and transmit / receive data with respect to a network, an STA first discovers the network, performs authentication, establishes an association, and authenticates for security. It must go through the back.
  • the link setup process may also be referred to as session initiation process and session setup process.
  • a process of discovery, authentication, association, and security establishment of a link setup process may be collectively referred to as association process.
  • the STA may perform a network discovery operation.
  • the network discovery operation may include a scanning operation of the STA. That is, in order for the STA to access the network, the STA must find a network that can participate. The STA must identify a compatible network before joining the wireless network. A network identification process existing in a specific area is called scanning. There are two types of scanning methods, active scanning and passive scanning.
  • the STA performing scanning transmits a probe request frame and waits for a response to discover which AP exists in the vicinity while moving channels.
  • the responder transmits a probe response frame to the STA that transmits the probe request frame in response to the probe request frame.
  • the responder may be an STA that last transmitted a beacon frame in the BSS of the channel being scanned.
  • the AP transmits a beacon frame, so the AP becomes a responder.
  • the responder is not constant.
  • an STA that transmits a probe request frame on channel 1 and receives a probe response frame on channel 1 stores the BSS-related information included in the received probe response frame and stores the next channel (eg, number 2).
  • Channel to perform scanning (i.e., probe request / response transmission and reception on channel 2) in the same manner.
  • the scanning operation may be performed by a passive scanning method.
  • passive scanning the STA performing scanning waits for a beacon frame while moving channels.
  • the beacon frame is one of management frames in IEEE 802.11.
  • the beacon frame is notified of the existence of a wireless network and is periodically transmitted to allow the STA performing scanning to find the wireless network and participate in the wireless network.
  • the AP periodically transmits a beacon frame
  • the IBSS STAs in the IBSS rotate and transmit a beacon frame.
  • the STA that performs the scanning receives the beacon frame, the STA stores the information on the BSS included in the beacon frame and records beacon frame information in each channel while moving to another channel.
  • the STA may store BSS related information included in the received beacon frame, move to the next channel, and perform scanning on the next channel in the same manner.
  • active scanning has the advantage of less delay and power consumption than passive scanning.
  • step S520 After the STA discovers the network, an authentication process may be performed in step S520.
  • This authentication process may be referred to as a first authentication process in order to clearly distinguish from the security setup operation of step S540 described later.
  • the authentication process includes a process in which the STA transmits an authentication request frame to the AP, and in response thereto, the AP transmits an authentication response frame to the STA.
  • An authentication frame used for authentication request / response corresponds to a management frame.
  • the authentication frame includes an authentication algorithm number, an authentication transaction sequence number, a status code, a challenge text, a Robust Security Network, and a finite cyclic group. Group) and the like. This corresponds to some examples of information that may be included in the authentication request / response frame, and may be replaced with other information or further include additional information.
  • the STA may send an authentication request frame to the AP.
  • the AP may determine whether to allow authentication for the corresponding STA based on the information included in the received authentication request frame.
  • the AP may provide a result of the authentication process to the STA through an authentication response frame.
  • the association process includes a process in which the STA transmits an association request frame to the AP, and in response thereto, the AP transmits an association response frame to the STA.
  • the association request frame may include information related to various capabilities, beacon listening interval, service set identifier (SSID), supported rates, supported channels, RSN, mobility domain. Information about supported operating classes, TIM Broadcast Indication Map Broadcast request, interworking service capability, and the like.
  • an association response frame may include information related to various capabilities, status codes, association IDs (AIDs), support rates, Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) parameter sets, Received Channel Power Indicators (RCPI), Received Signal to Noise Information, such as an indicator, a mobility domain, a timeout interval (association comeback time), an overlapping BSS scan parameter, a TIM broadcast response, and a QoS map.
  • AIDs association IDs
  • EDCA Enhanced Distributed Channel Access
  • RCPI Received Channel Power Indicators
  • Received Signal to Noise Information such as an indicator, a mobility domain, a timeout interval (association comeback time), an overlapping BSS scan parameter, a TIM broadcast response, and a QoS map.
  • a security setup process may be performed at step S540.
  • the security setup process of step S540 may be referred to as an authentication process through a Robust Security Network Association (RSNA) request / response.
  • the authentication process of step S520 is called a first authentication process, and the security setup process of step S540 is performed. It may also be referred to simply as the authentication process.
  • RSNA Robust Security Network Association
  • the security setup process of step S540 includes, for example, performing a private key setup through 4-way handshaking through an Extensible Authentication Protocol over LAN (EAPOL) frame. can do.
  • the security setup process may be performed according to a security scheme not defined in the IEEE 802.11 standard.
  • IEEE 802.11n In order to overcome the limitation of communication speed in WLAN, IEEE 802.11n exists as a relatively recently established technical standard. IEEE 802.11n aims to increase the speed and reliability of networks and to extend the operating range of wireless networks. More specifically, IEEE 802.11n supports High Throughput (HT) with data throughput of up to 540 Mbps and also uses multiple antennas at both the transmitter and receiver to minimize transmission errors and optimize data rates. It is based on Multiple Inputs and Multiple Outputs (MIMO) technology.
  • HT High Throughput
  • MIMO Multiple Inputs and Multiple Outputs
  • Next-generation wireless LAN systems that support Very High Throughput (VHT) are the next version of the IEEE 802.11n wireless LAN system (e.g., IEEE 802.11ac, etc.), which are used in MAC Service Access Points (SAPs). It is one of the recently proposed IEEE 802.11 WLAN system to support data processing speed of 1Gbps or more.
  • VHT Very High Throughput
  • the next generation WLAN system supports MU-MIMO (Multi User Multiple Input Multiple Output) transmission in which a plurality of STAs simultaneously access a channel in order to use the wireless channel efficiently.
  • MU-MIMO Multi User Multiple Input Multiple Output
  • the AP may simultaneously transmit packets to one or more STAs that are paired with MIMO.
  • whitespace may be referred to as a licensed band that can be preferentially used by a licensed user.
  • An authorized user refers to a user who is authorized to use an authorized band and may also be referred to as a licensed device, a primary user, an incumbent user, or the like.
  • an AP and / or STA operating in a WS should provide protection for an authorized user. For example, if an authorized user such as a microphone is already using a specific WS channel, which is a frequency band divided in a regulation to have a specific bandwidth in the WS band, the AP may be protected. And / or the STA cannot use a frequency band corresponding to the corresponding WS channel. In addition, the AP and / or STA should stop using the frequency band when the authorized user uses the frequency band currently used for frame transmission and / or reception.
  • the AP and / or STA should be preceded by a procedure for determining whether a specific frequency band in the WS band is available, that is, whether there is an authorized user in the frequency band. Knowing whether there is an authorized user in a specific frequency band is called spectrum sensing. As the spectrum sensing mechanism, energy detection, signal detection, and the like are used. If the strength of the received signal is greater than or equal to a predetermined value, it may be determined that the authorized user is in use, or if the DTV preamble is detected, the authorized user may be determined to be in use.
  • M2M communication refers to a communication method that includes one or more machines (Machine), may also be referred to as MTC (Machine Type Communication) or thing communication.
  • a machine refers to an entity that does not require human direct manipulation or intervention.
  • a device such as a meter or a vending machine equipped with a wireless communication module, as well as a user device such as a smartphone that can automatically connect to a network and perform communication without a user's operation / intervention, can be used. This may correspond to an example.
  • the M2M communication may include communication between devices (eg, device-to-device (D2D) communication), communication between a device, and an application server.
  • D2D device-to-device
  • Examples of device and server communication include communication between vending machines and servers, point of sale devices and servers, and electricity, gas or water meter readers and servers.
  • applications based on M2M communication may include security, transportation, health care, and the like. Considering the nature of these applications, M2M communication should generally be able to support the transmission and reception of small amounts of data at low speeds in the presence of very many devices.
  • M2M communication should be able to support a large number of STAs.
  • WLAN system it is assumed that a maximum of 2007 STAs are associated with one AP, but in M2M communication, there are methods for supporting a case where a larger number (approximately 6000 STAs) are associated with one AP. Is being discussed.
  • many applications are expected to support / require low data rates in M2M communication.
  • an STA may recognize whether data to be transmitted to it is based on a TIM (Traffic Indication Map) element, and methods for reducing the bitmap size of the TIM are discussed. It is becoming.
  • TIM Traffic Indication Map
  • M2M communication is expected to be a lot of traffic with a very long transmission / reception interval. For example, very small amounts of data are required to be sent and received every long period (eg, one month), such as electricity / gas / water use. Accordingly, in the WLAN system, even if the number of STAs that can be associated with one AP becomes very large, it is possible to efficiently support the case where the number of STAs having data frames to be received from the AP is very small during one beacon period. The ways to do this are discussed.
  • WLAN technology is rapidly evolving and, in addition to the above examples, technologies for direct link setup, media streaming performance improvement, support for high speed and / or large initial session setup, support for extended bandwidth and operating frequency, etc. Is being developed.
  • a basic access mechanism of MAC is a carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA / CA) mechanism.
  • the CSMA / CA mechanism is also called the Distributed Coordination Function (DCF) of the IEEE 802.11 MAC. It basically employs a "listen before talk" access mechanism.
  • the AP and / or STA may sense a radio channel or medium during a predetermined time period (e.g., during a DCF Inter-Frame Space (DIFS), before starting transmission.
  • DIFS DCF Inter-Frame Space
  • a delay period for example, a random backoff period
  • HCF hybrid coordination function
  • the PCF refers to a polling-based synchronous access scheme in which polling is performed periodically so that all receiving APs and / or STAs can receive data frames.
  • the HCF has an Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) and an HCF Controlled Channel Access (HCCA).
  • EDCA is a competition based approach for providers to provide data frames to multiple users, and HCCA uses a non-competition based channel access scheme using a polling mechanism.
  • the HCF includes a media access mechanism for improving the quality of service (QoS) of the WLAN, and can transmit QoS data in both a contention period (CP) and a contention free period (CFP).
  • QoS quality of service
  • FIG. 6 is a diagram for describing a backoff process.
  • the random backoff count has a pseudo-random integer value and may be determined to be one of values in the range of 0 to CW.
  • CW is a contention window parameter value.
  • the CW parameter is given CW_min as an initial value, but may take a double value in case of transmission failure (for example, when ACK for a transmitted frame is not received).
  • CW parameter value is CW_max
  • data transmission can be attempted while maintaining the CW_max value until the data transmission is successful. If the data transmission is successful, the CW parameter value is reset to the CW_min value.
  • the STA continues to monitor the medium while counting down the backoff slots according to the determined backoff count value. If the medium is monitored as occupied, the countdown stops and waits; if the medium is idle, it resumes the remaining countdown.
  • the STA3 may confirm that the medium is idle as much as DIFS and transmit the frame immediately. Meanwhile, the remaining STAs monitor and wait for the medium to be busy. In the meantime, data may also be transmitted in each of STA1, STA2, and STA5, and each STA waits for DIFS when the medium is monitored idle, and then counts down the backoff slot according to a random backoff count value selected by the STA. Can be performed.
  • STA2 selects the smallest backoff count value and STA1 selects the largest backoff count value.
  • the remaining backoff time of the STA5 is shorter than the remaining backoff time of the STA1 at the time when the STA2 finishes the backoff count and starts the frame transmission.
  • STA1 and STA5 stop counting for a while and wait for STA2 to occupy the medium.
  • the STA1 and the STA5 resume the stopped backoff count after waiting for DIFS. That is, the frame transmission can be started after counting down the remaining backoff slots by the remaining backoff time. Since the remaining backoff time of the STA5 is shorter than that of the STA1, the STA5 starts frame transmission.
  • STA4 waits for DIFS, performs a countdown according to a random backoff count value selected by the STA4, and starts frame transmission.
  • the remaining backoff time of STA5 coincides with an arbitrary backoff count value of STA4.
  • a collision may occur between STA4 and STA5. If a collision occurs, neither STA4 nor STA5 receive an ACK, and thus data transmission fails. In this case, STA4 and STA5 may double the CW value, select a random backoff count value, and perform a countdown.
  • the STA1 waits while the medium is occupied due to transmission of the STA4 and STA5, waits for DIFS when the medium is idle, and starts frame transmission after the remaining backoff time passes.
  • the CSMA / CA mechanism includes virtual carrier sensing in addition to physical carrier sensing in which the AP and / or STA directly sense the medium.
  • Virtual carrier sensing is intended to compensate for problems that may occur in media access, such as a hidden node problem.
  • the MAC of the WLAN system may use a network allocation vector (NAV).
  • the NAV is a value in which an AP and / or STA currently using or authorized to use a medium instructs another AP and / or STA how long to remain until the medium becomes available.
  • the value set to NAV corresponds to a period in which the medium is scheduled to be used by the AP and / or STA transmitting the frame, and the STA receiving the NAV value is prohibited from accessing the medium during the period.
  • the NAV may be set, for example, according to the value of the "duration" field of the MAC header of the frame.
  • 7 is a diagram for explaining hidden nodes and exposed nodes.
  • STA A illustrates an example of a hidden node, in which STA A and STA B are in communication and STA C has information to transmit.
  • STA A may be transmitting information to STA B, it may be determined that the medium is idle when STA C performs carrier sensing before sending data to STA B. This is because transmission of STA A (ie, media occupation) may not be sensed at the location of STA C.
  • STA B since STA B receives the information of STA A and STA C at the same time, a collision occurs.
  • STA A may be referred to as a hidden node of STA C.
  • FIG. 7B is an example of an exposed node
  • STA B is a case in which STA C has information to be transmitted from STA D while transmitting data to STA A.
  • FIG. 7B when STA C performs carrier sensing, it may be determined that the medium is occupied by the transmission of STA B. Accordingly, since STA C is sensed as a medium occupancy state even if there is information to be transmitted to STA D, it must wait until the medium becomes idle. However, since STA A is actually outside the transmission range of STA C, transmission from STA C and transmission from STA B may not collide with STA A's point of view, so STA C is unnecessary until STA B stops transmitting. To wait. At this time, STA C may be referred to as an exposed node of STA B.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an RTS and a CTS.
  • a short signaling packet such as a request to send (RTS) and a clear to send (CTS) may be used.
  • RTS request to send
  • CTS clear to send
  • the RTS / CTS between the two STAs may allow the surrounding STA (s) to overhear, allowing the surrounding STA (s) to consider whether to transmit information between the two STAs. For example, when an STA to transmit data transmits an RTS frame to an STA receiving the data, the STA receiving the data may inform the neighboring terminals that it will receive the data by transmitting the CTS frame to the surrounding terminals.
  • 8A illustrates an example of a method for solving a hidden node problem, and assumes that both STA A and STA C try to transmit data to STA B.
  • FIG. 8A When STA A sends the RTS to STA B, STA B transmits the CTS to both STA A and STA C around it. As a result, STA C waits until data transmission between STA A and STA B is completed, thereby avoiding collision.
  • FIG. 8 (b) is an example of a method for solving an exposed node problem, and STA C overhears RTS / CTS transmission between STA A and STA B, so that STA C is another STA (eg, STA). It may be determined that no collision will occur even if data is transmitted to D). That is, STA B transmits the RTS to all the surrounding terminals, and only STA A having the data to actually transmit the CTS. Since STA C receives only RTS and not STA A's CTS, it can be seen that STA A is out of STC C's carrier sensing.
  • STA C overhears RTS / CTS transmission between STA A and STA B, so that STA C is another STA (eg, STA). It may be determined that no collision will occur even if data is transmitted to D). That is, STA B transmits the RTS to all the surrounding terminals, and only STA A having the data to actually transmit the CTS. Since STA C receives only RTS and not
  • the WLAN system channel sensing must be performed before the STA performs transmission and reception, and always sensing the channel causes continuous power consumption of the STA.
  • the power consumption in the receive state is not significantly different from the power consumption in the transmit state, and maintaining the receive state is also a great burden for the power limited STA (ie, operated by a battery). Therefore, if the STA maintains a reception standby state in order to continuously sense the channel, it inefficiently consumes power without any particular advantage in terms of WLAN throughput.
  • the WLAN system supports a power management (PM) mode of the STA.
  • PM power management
  • the power management mode of the STA is divided into an active mode and a power save (PS) mode.
  • the STA basically operates in the active mode.
  • the STA operating in the active mode maintains an awake state.
  • the awake state is a state in which normal operation such as frame transmission and reception or channel scanning is possible.
  • the STA operating in the PS mode operates by switching between a sleep state and an awake state.
  • the STA operating in the sleep state operates at the minimum power, and does not perform frame scanning as well as channel scanning.
  • the STA operates in the sleep state for as long as possible, power consumption is reduced, so the STA has an increased operation period. However, it is impossible to operate unconditionally long because frame transmission and reception are impossible in the sleep state. If there is a frame to be transmitted to the AP, the STA operating in the sleep state may transmit the frame by switching to the awake state. On the other hand, when the AP has a frame to transmit to the STA, the STA in the sleep state may not receive it and may not know that there is a frame to receive. Accordingly, the STA may need to switch to the awake state according to a specific period in order to know whether or not the frame to be transmitted to (or, if there is, receive it) exists.
  • FIG. 9 is a diagram for describing a power management operation.
  • the AP 210 transmits a beacon frame to STAs in a BSS at regular intervals (S211, S212, S213, S214, S215, and S216).
  • the beacon frame includes a traffic indication map (TIM) information element.
  • the TIM information element includes information indicating that the AP 210 is present with buffered traffic for STAs associated with it and will transmit a frame.
  • the TIM element includes a TIM used to inform unicast frames and a delivery traffic indication map (DTIM) used to inform multicast or broadcast frames.
  • DTIM delivery traffic indication map
  • the AP 210 may transmit the DTIM once every three beacon frames.
  • STA1 220 and STA2 222 are STAs operating in a PS mode.
  • the STA1 220 and the STA2 222 may be configured to receive a TIM element transmitted by the AP 210 by switching from a sleep state to an awake state at every wakeup interval of a predetermined period. .
  • Each STA may calculate a time to switch to the awake state based on its local clock. In the example of FIG. 9, it is assumed that the clock of the STA coincides with the clock of the AP.
  • the predetermined wakeup interval may be set such that the STA1 220 may switch to the awake state for each beacon interval to receive the TIM element. Accordingly, the STA1 220 may be switched to an awake state when the AP 210 first transmits a beacon frame (S211) (S221). STA1 220 may receive a beacon frame and obtain a TIM element. When the obtained TIM element indicates that there is a frame to be transmitted to the STA1 220, the STA1 220 sends a PS-Poll (Power Save-Poll) frame requesting the AP 210 to transmit the frame, and the AP 210. It may be transmitted to (S221a). The AP 210 may transmit the frame to the STA1 220 in response to the PS-Poll frame (S231). After completing the frame reception, the STA1 220 switches to the sleep state again.
  • S211 beacon frame
  • S221a Power Save-Poll
  • the AP 210 When the AP 210 transmits the beacon frame for the second time, the AP 210 does not transmit the beacon frame at the correct beacon interval because the medium is busy, such as another device accessing the medium. It can be transmitted at a delayed time (S212). In this case, the STA1 220 switches the operation mode to the awake state according to the beacon interval, but fails to receive the delayed beacon frame, and switches back to the sleep state (S222).
  • the beacon frame may include a TIM element set to DTIM.
  • the AP 210 delays transmission of the beacon frame (S213).
  • the STA1 220 may operate by switching to an awake state according to the beacon interval, and may obtain a DTIM through a beacon frame transmitted by the AP 210. It is assumed that the DTIM acquired by the STA1 220 indicates that there is no frame to be transmitted to the STA1 220 and that a frame for another STA exists. In this case, the STA1 220 may determine that there is no frame to receive, and then switch to the sleep state again.
  • the AP 210 transmits the frame to the STA after transmitting the beacon frame (S232).
  • the AP 210 transmits a beacon frame fourthly (S214).
  • the STA1 220 cannot adjust the wakeup interval for receiving the TIM element because the STA1 220 cannot obtain information indicating that there is buffered traffic for itself through the previous two times of receiving the TIM element.
  • the wakeup interval value of the STA1 220 may be adjusted.
  • the STA1 220 may be configured to switch the operating state by waking up once every three beacon intervals from switching the operating state for TIM element reception every beacon interval. Accordingly, the STA1 220 cannot acquire the corresponding TIM element because the AP 210 maintains a sleep state at the time when the AP 210 transmits the fourth beacon frame (S214) and transmits the fifth beacon frame (S215).
  • the STA1 220 may operate by switching to an awake state and may acquire a TIM element included in the beacon frame (S224). Since the TIM element is a DTIM indicating that a broadcast frame exists, the STA1 220 may receive a broadcast frame transmitted by the AP 210 without transmitting the PS-Poll frame to the AP 210. (S234). Meanwhile, the wakeup interval set in the STA2 230 may be set in a longer period than the STA1 220. Accordingly, the STA2 230 may switch to the awake state at the time S215 at which the AP 210 transmits the beacon frame for the fifth time (S215) and receive the TIM element (S241).
  • the STA2 230 may know that there is a frame to be transmitted to itself through the TIM element, and transmit a PS-Poll frame to the AP 210 to request frame transmission (S241a).
  • the AP 210 may transmit the frame to the STA2 230 in response to the PS-Poll frame (S233).
  • the TIM element includes a TIM indicating whether a frame to be transmitted to the STA exists or a DTIM indicating whether a broadcast / multicast frame exists.
  • DTIM may be implemented through field setting of a TIM element.
  • 10 to 12 are diagrams for explaining the operation of the STA receiving the TIM in detail.
  • the STA may switch from a sleep state to an awake state to receive a beacon frame including a TIM from an AP, interpret the received TIM element, and know that there is buffered traffic to be transmitted to the AP. .
  • the STA may transmit a PS-Poll frame to request an AP to transmit a data frame.
  • the AP may transmit the frame to the STA.
  • the STA may receive a data frame and transmit an acknowledgment (ACK) frame thereto to the AP.
  • the STA may then go back to sleep.
  • ACK acknowledgment
  • the AP may operate according to an immediate response method after transmitting a data frame after a predetermined time (for example, short inter-frame space (SIFS)) after receiving a PS-Poll frame from the STA. Can be. Meanwhile, when the AP fails to prepare a data frame to be transmitted to the STA during the SIFS time after receiving the PS-Poll frame, the AP may operate according to a deferred response method, which will be described with reference to FIG. 11.
  • a predetermined time for example, short inter-frame space (SIFS)
  • SIFS short inter-frame space
  • the STA transitions from the sleep state to the awake state to receive the TIM from the AP and transmits the PS-Poll frame to the AP through contention as in the example of FIG. 10. If the AP does not prepare a data frame during SIFS even after receiving the PS-Poll frame, the AP may transmit an ACK frame to the STA instead of transmitting the data frame. When the data frame is prepared after transmitting the ACK frame, the AP may transmit the data frame to the STA after performing contention. The STA may transmit an ACK frame indicating that the data frame was successfully received to the AP and go to sleep.
  • STAs may transition from a sleep state to an awake state to receive a beacon frame containing a DTIM element from the AP. STAs may know that a multicast / broadcast frame will be transmitted through the received DTIM.
  • the AP may transmit data (ie, multicast / broadcast frame) immediately after the beacon frame including the DTIM without transmitting and receiving the PS-Poll frame.
  • the STAs may receive data while continuously awake after receiving the beacon frame including the DTIM, and may switch back to the sleep state after the data reception is completed.
  • the STAs In the method of operating a power saving mode based on the TIM (or DTIM) protocol described with reference to FIGS. 9 to 12, the STAs have a data frame to be transmitted for themselves through STA identification information included in the TIM element. You can check.
  • the STA identification information may be information related to an association identifier (AID), which is an identifier assigned by the STA at the time of association with the AP.
  • AID association identifier
  • AID is used as a unique identifier for each STA in one BSS.
  • the AID may be assigned to one of values from 1 to 2007.
  • 14 bits may be allocated for an AID in a frame transmitted by an AP and / or STA, and an AID value may be allocated up to 16383, but in 2008, 16383 is set as a reserved value. It is.
  • the TIM element according to the existing definition is not suitable for the application of M2M application, where a large number of (eg, more than 2007) STAs may be associated with one AP.
  • the TIM bitmap size is so large that it cannot be supported by the existing frame format, and is not suitable for M2M communication considering low transmission rate applications.
  • M2M communication it is expected that the number of STAs in which a received data frame exists during one beacon period is very small. Therefore, considering the application example of the M2M communication as described above, since the size of the TIM bitmap is expected to be large, but most bits have a value of 0, a technique for efficiently compressing the bitmap is required.
  • bitmap compression technique there is a method of defining an offset (or starting point) value by omitting consecutive zeros in front of a bitmap.
  • the compression efficiency is not high. For example, when only frames to be transmitted to only two STAs having AIDs of 10 and 2000 are buffered, the compressed bitmap has a length of 1990 but all have a value of 0 except at both ends. If the number of STAs that can be associated with one AP is small, the inefficiency of bitmap compression is not a big problem, but if the number of STAs increases, such inefficiency may be a factor that hinders overall system performance. .
  • the AID may be divided into groups to perform more efficient data transmission.
  • Each group is assigned a designated group ID (GID).
  • GID group ID
  • AIDs allocated on a group basis will be described with reference to FIG. 13.
  • FIG. 13A illustrates an example of an AID allocated on a group basis.
  • the first few bits of the AID bitmap may be used to indicate a GID.
  • the first two bits of the AID bitmap may be used to represent four GIDs.
  • the first two bits (B1 and B2) indicate the GID of the corresponding AID.
  • FIG. 13A illustrates another example of an AID allocated on a group basis.
  • the GID may be allocated according to the location of the AID.
  • AIDs using the same GID may be represented by an offset and a length value.
  • GID 1 is represented by an offset A and a length B, it means that AIDs A through A + B-1 on the bitmap have GID 1.
  • FIG. 13 (b) it is assumed that AIDs of all 1 to N4 are divided into four groups. In this case, AIDs belonging to GID 1 are 1 to N1, and AIDs belonging to this group may be represented by offset 1 and length N1.
  • AIDs belonging to GID 2 may be represented by offset N1 + 1 and length N2-N1 + 1
  • AIDs belonging to GID 3 may be represented by offset N2 + 1 and length N3-N2 +
  • GID AIDs belonging to 4 may be represented by an offset N3 + 1 and a length N4-N3 + 1.
  • channel access may be allowed only to STA (s) corresponding to a specific group during a specific time interval, and channel access may be restricted to other STA (s).
  • a predetermined time interval in which only specific STA (s) are allowed to access may be referred to as a restricted access window (RAW).
  • RAW restricted access window
  • FIG. 13C illustrates a channel access mechanism according to the beacon interval when the AID is divided into three groups.
  • the first beacon interval (or the first RAW) is a period in which channel access of an STA corresponding to an AID belonging to GID 1 is allowed, and channel access of STAs belonging to another GID is not allowed.
  • the first beacon includes a TIM element only for AIDs corresponding to GID 1.
  • the second beacon frame includes a TIM element only for AIDs having GID 2, so that only the channel access of the STA corresponding to the AID belonging to GID 2 is allowed during the second beacon interval (or second RAW).
  • the third beacon frame includes a TIM element only for AIDs having GID 3, and thus only channel access of the STA corresponding to the AID belonging to GID 3 is allowed during the third beacon interval (or third RAW).
  • the fourth beacon frame again includes a TIM element for only AIDs having GID 1, and thus only channel access of the STA corresponding to the AID belonging to GID 1 is allowed during the fourth beacon interval (or fourth RAW). Then, even in each of the fifth and subsequent beacon intervals (or fifth and subsequent RAWs), only channel access of the STA belonging to the specific group indicated in the TIM included in the beacon frame may be allowed.
  • the order of GIDs allowed according to beacon intervals is cyclic or periodic, but is not limited thereto. That is, by including only the AID (s) belonging to a particular GID (s) in the TIM element, allowing channel access only to the STA (s) corresponding to the particular AID (s) during a particular time period (eg, a particular RAW). And operate in a manner that does not allow channel access of the remaining STA (s).
  • the group-based AID allocation scheme as described above may also be referred to as a hierarchical structure of the TIM. That is, the entire AID space may be divided into a plurality of blocks, and only channel access of STA (s) (that is, STAs of a specific group) corresponding to a specific block having a non-zero value may be allowed. Accordingly, the TIM can be divided into small blocks / groups so that the STAs can easily maintain the TIM information and manage the blocks / groups according to the class, quality of service (QoS), or purpose of the STA. 13 illustrates a two-level hierarchy, but a hierarchical TIM may be configured in the form of two or more levels.
  • QoS quality of service
  • the entire AID space may be divided into a plurality of page groups, each page group may be divided into a plurality of blocks, and each block may be divided into a plurality of sub-blocks.
  • the first N1 bits represent a page ID (i.e., PID)
  • the next N2 bits represent a block ID
  • the next N3 bits Indicates a sub-block ID and may be configured in such a way that the remaining bits indicate the STA bit position within the sub-block.
  • STAs belonging to a specific group may use the channel only in the "group channel access interval" (or RAW) assigned to the group.
  • the traffic for the STA may have a characteristic that occurs according to a long period (eg, tens of minutes or hours). Since the STA does not need to maintain the awake state frequently, it is preferable to operate in the sleep mode for a long time and to occasionally switch to the awake state (that is, the wakeup interval of the corresponding STA is set long).
  • an STA having a long period of wake-up interval may be referred to as an STA operating in a "long-sleeper" or "long-sleep" mode.
  • the reason why the wakeup period is set to be long is not necessarily limited to M2M communication, and the wakeup interval may be set to be long according to the state of the STA or the surrounding situation in general WLAN operation.
  • the STA may determine whether the wakeup interval has been elapsed based on its local clock.
  • the local clock of the STA generally uses a low-cost oscillator, there is a high probability of error, and furthermore, if the STA operates in the long-sleep mode, the error may become larger over time. Therefore, the time synchronization of the STA that wakes up from time to time may not match the time synchronization of the AP. For example, the STA calculates that it is a timing at which it can receive a beacon and switches to an awake state, but may not receive a beacon actually transmitted by the AP at that timing. That is, the STA may miss the beacon frame due to a clock drift, and this problem may occur a lot when the long-sleep mode is operated.
  • 14 through 16 are diagrams illustrating examples of an operation of an STA when a group channel access interval is set.
  • the STA3 since the STA3 transmits the PS-Poll belongs to the channel access interval for group 1, the AP does not transmit data immediately after transmitting the ACK frame even if there is data to be transmitted to STA3, but is allocated to group 3 to which STA3 belongs. Data to STA3 is transmitted in the received channel access interval (GID 3 channel access of FIG. 14).
  • the PS-Poll is sent to the AP, assuming there may be data to be sent to the AP. Or, suppose that time synchronization may not be correct because it operates in the long-sleep mode, and STA3 may send a PS-Poll to the AP to receive if there is data to be transmitted to it.
  • the STA3 Since the ACK frame received from the AP indicates that there is data to be transmitted to the STA3, the STA3 continues to wait for data reception under the assumption that its channel access is allowed. The STA3 consumes power unnecessarily even though data reception is not allowed until the time synchronization is correctly performed from the information included in the next beacon.
  • FIG. 15 illustrates a case in which an STA having GID 1 (ie, belonging to group 1) misses a beacon frame at a wake up timing. That is, an STA that does not receive a beacon including a GID (or PID) assigned to itself continues to wait in an awake state until it receives a beacon including its GID (or PID). That is, even though the time when the STA wakes up is a channel access interval assigned to the STA, the STA has not checked whether the TIM transmitted through the beacon includes its GID (or PID), and thus the timing is It is not known whether the channel access interval is assigned to the group.
  • GID 1 ie, belonging to group 1
  • the STA transitioned from the sleep state to the awake state continues after the first beacon until it receives the fourth beacon including its GID (ie, GID 1). This consumes unnecessary power. After all, after consuming unnecessary power, the STA can receive the beacon including the GID 1 and thus perform the RTS transmission, the CTS reception, the data frame transmission, and the ACK reception.
  • GID GID 1
  • FIG. 16 illustrates a case where the STA wakes up at a channel access interval for another group.
  • an STA with GID 3 may wake up at a channel access interval for GID 1. That is, the STA having the GID 3 consumes power unnecessarily until the beacon corresponding to its GID is received after waking up.
  • the TIM indicating the GID 3 in the third beacon it can recognize the channel access interval for its group and perform operations such as data transmission and ACK reception after CCA through RTS and CTS.
  • next-generation WiFi In an environment where diverse interests in next-generation WiFi and demands for improving 802.11a and higher quality of experience (QoE) performance are increasing, it is necessary to define a new frame format for the next-generation WLAN system.
  • the most important part of the new frame format is the preamble part, and the design of the preamble that plays the role of synchronization, channel tracking, channel estimation, adaptive gain control (AGC), etc. This is even more important because it can have a direct and big impact.
  • each preamble block eg, a short training field (STF) that plays a role of AGC, CFO estimation / compensation, timing adjustment, etc.), or a channel estimation / compensation, residual CFO compensation, etc.
  • STF short training field
  • LTE Long Training Field
  • the structure of the preamble may need to be designed differently according to the environment.
  • designing a unified preamble format that is independent of environmental changes may help system implementation and operation, but it is desirable to be adaptively designed for the system environment.
  • the new WLAN system is called a High Efficiency (HE) system or a High Efficiency WLAN (HEW) system
  • HE High Efficiency
  • HEW High Efficiency WLAN
  • PLCP Physical Layer Convergence Procedure
  • PPDU Protocol Data Unit
  • the proposed preamble can be applied not only to the HE system but also to other WLAN systems and cellular systems.
  • Table 1 below shows OFDM numerology, which is a premise of the pilot sequence transmission method proposed below.
  • Table 1 is an example of a new OFDM numerology proposed by the HE system, the figures and items described are merely examples and other values may be applied.
  • Table 1 is based on an example of applying a FFT four times larger than the conventional BW, and it is assumed that three DCs are used for each BW.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a frame structure according to an embodiment of the present invention.
  • the frame structure may be implemented in various forms, and the proposed pilot sequence transmission method may include preambles in the frame structure. Among them, it is mainly related to HE-STF (High Efficiency Short Training Field) part.
  • HE-STF High Efficiency Short Training Field
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a pilot sequence related to an embodiment of the present invention.
  • the HE-STF described with reference to FIG. 17 is part of a preamble, and pilot signals for channel estimation, carrier frequency offset (CFO) estimation, symbol timing estimation, and the like are transmitted.
  • a plurality of pilot signals transmitted sequentially are called pilot sequences, and
  • FIG. 18 shows a pilot sequence design of a typical HE-STF.
  • the upper graph shows a pilot sequence on the frequency axis
  • the lower graph shows a pilot sequence on the time axis, respectively.
  • the pilot sequence on the frequency axis is defined by the guard interval, the pilot distance, and the magnitude of the pilot signal.
  • the guard interval is a multiple of the pilot distance (multiple of 2)
  • the pilot signals on the frequency axis are converted into the time domain
  • the pilot signals on the time axis have a repeating pattern as shown in the lower part of FIG.
  • the signals of the first period are called primary signals and the signals of the second period are called secondary signals, the primary signal and the secondary signal have the same pattern.
  • the pilot signals on the frequency axis are 4 and the guard interval is a multiple of 4, then the pilot signals on the time axis are defined by four repeated patterns, and the 1/2/3/4 order signals all have the same pattern. Will have As such, the definition of a signal of a pattern repeated on the time axis is meaningful in view of enabling accurate symbol timing and CFO estimation without channel information.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating circular shifting of a pilot sequence.
  • FIG. 19 illustrates signals shifted on primary signals and primary signals on the time axis described with reference to FIG. 18.
  • a specific pilot sequence is shifted and a plurality of generated pilot sequences are called a sequence set, and the transmitter selects a random pilot sequence from the sequence set and transmits it to the receiver.
  • shifting on the time axis of the pilot signal may be understood as a process of changing the phase of the pilot signal, and shifting on the frequency axis may be understood as circular shifting.
  • the receiver can identify which of the four different pilot sequences has been received by identifying the received pilot sequence. This process may be performed by calculating a correlation with respect to the signal received by the receiver, and the receiver compares the result of the correlation between the stored pilot sequences and the received signal to determine which pilot in the sequence set. It can be determined whether the sequence has been received.
  • a total of four different pilot sequences may be transmitted to the receiver, and the receiver may distinguish four pilot sequences.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a structure of a receiver for pilot sequence identification
  • FIG. 21 is a diagram illustrating a received signal of a sequence set received by the receiver. 20 and 21 will be described together below.
  • N is the length of the primary signal
  • r is the received vector on the time axis
  • Is a vector of the i th shifted pilot sequence
  • Is defined as
  • the receiver calculates ⁇ y0, y1, y2, y3 ⁇ as shown in FIG.
  • the receiver may find yi having the largest magnitude among ⁇ y0, y1, y2, and y3 ⁇ to identify which sequence in the sequence set the transmitter transmits.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining a sequence set including pilot sequences generated at predetermined intervals.
  • the above-described communication method of the transmitter and the receiver has a disadvantage in that performance is degraded in a multipath environment.
  • the pilot sequences of the sequence set are generated and utilized at predetermined intervals as shown in FIG.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating a received signal of the sequence set described with reference to FIG. 22.
  • the receiver selects the largest yi in each ZCZ, and selects the ZCZ having the largest value by comparing the selected yi in each ZCZ.
  • the first ZCZ has ⁇ y0, y1, y2, y3 ⁇ having a larger size than other ZCZs, which is a delay spread caused by transmission signals received through a multipath. It is due to the impact.
  • the receiver can identify a sequence sent by the transmitter without error.
  • the smaller the interval of the sequence the more signatures are possible.
  • the sequence interval is set to 1 in FIG. 22, a total of 16 signatures may be defined. That is, the narrower the interval between pilot sequences constituting the sequence set, the more signatures can be defined and more information can be transmitted, but there is a trade off in which the identification performance of the receiver is degraded.
  • 24 is a diagram illustrating a timing offset.
  • 24 illustrates a process in which one OFDM symbol is received through two multipaths.
  • the receiver generally estimates the start point of an OFDM symbol between the guard interval start point of the first path and the GI end point of the second path.
  • the timing offset NTO is expressed by Equation 1 below. That is, the timing offset is expressed as the difference between the ESP and the starting point (SP) of the first symbol.
  • ISI Inter Symbol Interference
  • FIG. 25 is a diagram illustrating a received signal in consideration of a timing offset.
  • FIG. 26 is a diagram illustrating a process of adjusting the size of a zero correlation zone (ZCZ) in consideration of a timing offset.
  • ZCZ zero correlation zone
  • the maximum possible timing offset is defined as N TO .
  • a minimum shifting value between sequences is defined as L + N TO .
  • the receiver defines the size of ZCZ as L + N TO , which is the sum of the channel effective delay period and the TO, as shown in FIG. Unlike FIG. 25, in FIG. 26, the size of the window is large enough to prevent an error due to the timing offset.
  • the size of the window increases, leading to a trade-off in which the number of identifiable signatures between the transmitter and receiver decreases from four to two.
  • FIG. 27 is a diagram for explaining a pilot sequence using a constant amplitude zero auto correlation (CAZAC) sequence.
  • CAZAC constant amplitude zero auto correlation
  • FIG. 27 shows an embodiment using a Chu sequence of length N s as a pilot signal on the frequency axis.
  • the length of the OFDM symbol is N o . ( Is a positive integer greater than zero).
  • the primary signal and the secondary signal on the time axis have the characteristics of the CAZAC sequence.
  • PAPR Peak to Average Power Ratio
  • PAPR is defined as the ratio of maximum power to average power, with a minimum value of 1.
  • the maximum power means the largest power of the time base elements, and the average power means the average power of the time base elements.
  • the maximum amplifiable value is determined by the maximum of the magnitudes of the time base elements transmitted. This is because when the OFDM symbol is amplified by the amplifier, all time elements of the OFDM symbols must not exceed the maximum output. Thus, if all symbols have a size of 1, each sequence can be amplified and transmitted by the maximum output of the amplifier. That is, the OFDM symbol can be amplified and transmitted at the maximum output of the amplifier, thereby increasing the SNR.
  • y 1 , y 2 , and y 3 except y 0 in FIG. 23 are all zero. This characteristic can improve the identification performance of the receiver. If a sequence having no ZAC characteristic is used, y 1 , y 2 , and y 3 are not all zeros, thereby reducing the identification performance of the receiver. In other words, if there is a correlation between sequences, the identification performance of the receiver is reduced.
  • the transmitter generates a baseline sequence and then shifts the baseline sequence on the time axis to generate a plurality of pilot sequences.
  • the generated plurality of pilot sequences constitutes a sequence set, and as described above, the plurality of pilot sequences in the sequence set are mapped to different additional information (ie, signatures).
  • the size of each sample is different (non-constant amplitude), and the size of auto correlation is not zero (non-zero auto correlation) at a non-shifting value.
  • a sequence having such characteristics is referred to as a non-CAZAC sequence.
  • FIG. 29 shows that all y i have a non-zero value when using a Non-CAZAC sequence. This means that a non-zero value occurs in a region other than ZCZ for the pilot sequence transmitted by the transmitter. Accordingly, the performance of the receiver is reduced compared to when the CAZAC sequence is used. This reduction in performance is determined by the largest value among the values generated in ZCZ to which the received pilot sequence does not belong. For example, y 13 in FIG. 29 determines the identification performance of the receiver.
  • the transmitter may configure the sequence set in consideration of correlations between the sequences.
  • the transmitter determines a shifting value such that correlation between pilot sequences is minimized.
  • the transmitter may generate the sequence set in consideration of the change in correlation according to the difference in shifting value, and a detailed process will be described below.
  • sequence set A the interval between sequences (i.e. shifting value) is 1 and the largest value of correlation difference between sequences is -13dB.
  • sequence set B the interval between the sequences is 21 and the largest value of the correlation difference between the sequences is -29 dB.
  • the transmitter may configure a sequence set by determining a shifting value such that correlation between pilot sequences is minimized.
  • the minimum size of the shifting value in the process of generating the sequence set may be determined in consideration of the channel effective delay period L and the timing offset N TO .
  • the channel valid delay period L may be defined to be shorter than the length of the delay variance of the actual channel.
  • FIG. 23 the effect of delay dispersion on the performance of the receiver is illustrated, and the effect of timing offset on the performance of the receiver is illustrated and described in FIG.
  • FIG. 29 illustrates a performance reduction due to correlation between sequences when using a Non-CAZAC sequence.
  • the minimum magnitude of the shifting value is determined based on the channel effective delay period L and the timing offset N TO , and then the correlation between the sequences is minimized based on the determined minimum magnitude.
  • the shifting value that can be determined can finally be determined.
  • the transmitter determines the minimum size of shifting as L + N TO as shown in FIG. Subsequently, using the auto correlation value described with reference to FIG. 30, the transmitter determines a shifting value that can minimize correlation between pilot sequences.
  • the sequence set generated through this process ensures that the receiver is robust to delay dispersion and timing offset. Instead, the maximum number of signatures that can be defined by the sequence set generated by the trade-off is limited as in Equation 3.
  • the receiver can accurately identify the received pilot sequence by shifting the window by the timing offset.
  • the transmitter does not need to consider the timing offset in generating the sequence set, and the minimum length of the shifting value may be determined to be L only without considering the timing offset.
  • the maximum number of signatures defined is represented by Equation 4.
  • EVM Error Vector Magnitude
  • the transmitter may quantize the weight sequence and then use the quantized sequence as a pilot signal. Subsequently, the transmitter generates a baseline sequence on the time axis through an inverse fast fourier transform (IFFT) operation. As such, the transmitter may generate the baseline sequence and the sequence set in consideration of the precision of phase adjustment supported by the transmitter hardware.
  • IFFT inverse fast fourier transform
  • the sequence set based on the quantized weight sequence has an increased PAPR compared to the sequence set generated based on the weight sequence.
  • Points indicated by circles in FIG. 31 represent phases of weight sequences before being quantized, and squares represent phases of quadrature phase shift keying (QPSK).
  • Quantizing the weight sequence with QPSK refers to a process of approximating a point indicated by a circle to the nearest rectangle corresponding to QPSK.
  • the transmitter may generate a sequence set such that correlation between pilot sequences is minimized. Accordingly, it is possible to ensure maximum performance of the receiver while transmitting the signature.
  • FIG. 32 is a flowchart illustrating an operation process of a transmitter and a receiver according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 32 illustrates a series of time series flows based on the above-described embodiments, and the above-described information may be applied to the same or similarly, even if the details are not described.
  • the transmitter generates a sequence set such that correlation between pilot sequences is minimized (S3210).
  • This process may be performed by adjusting the shifting value in shifting the baseline sequence.
  • the transmitter may determine the minimum shifting value in consideration of the channel effective delay interval or timing offset.
  • the receiver may finally determine the shifting value having the minimum correlation in consideration of the correlation between the pilot sequences according to the shifting value.
  • the transmitter may configure a sequence set using the quantized weight sequence.
  • the transmitter transmits a pilot sequence selected from the generated sequence set to the receiver (S3220). Pilot sequences included in the sequence set are mapped to additional information (signatures) represented by different bits, respectively. Accordingly, the receiver receives the pilot sequence (S3230), and acquires additional information transmitted by the transmitter by identifying the received pilot sequence (S3240). That is, the receiver can know what additional information the transmitter intends to transmit by distinguishing the shifting value of the received pilot sequence.
  • the receiver 100 and the transmitter 150 may include radio frequency (RF) units 110 and 160, processors 120 and 170, and memories 130 and 180, respectively.
  • RF radio frequency
  • FIG. 33 only a 1: 1 communication environment between the receiver 100 and the transmitter 150 is illustrated, but a communication environment may be established between a plurality of receivers and a plurality of transmitters.
  • the transmitter 150 illustrated in FIG. 33 may be applied to both the macro cell transmitter and the small cell transmitter.
  • Each RF unit 110, 160 may include a transmitter 112, 162 and a receiver 114, 164, respectively.
  • the transmitter 112 and receiver 114 of the receiver 100 are configured to transmit and receive signals with the transmitter 150 and other receivers, and the processor 120 is functionally functional with the transmitter 112 and the receiver 114.
  • the transmitter 112 and the receiver 114 may be configured to control a process of transmitting and receiving signals with other devices.
  • the processor 120 performs various processes on the signal to be transmitted and transmits the signal to the transmitter 112, and performs the process on the signal received by the receiver 114.
  • the processor 120 may store information included in the exchanged message in the memory 130.
  • the receiver 100 may perform the method of various embodiments of the present invention described above.
  • the transmitter 162 and the receiver 164 of the transmitter 150 are configured to transmit and receive signals with other transmitters and receivers, and the processor 170 is functionally connected to the transmitter 162 and the receiver 164 to transmit the signal. 162 and the receiver 164 may be configured to control the process of transmitting and receiving signals with other devices. In addition, the processor 170 may perform various processing on the signal to be transmitted, transmit the same to the transmitter 162, and may perform processing on the signal received by the receiver 164. If necessary, the processor 170 may store information included in the exchanged message in the memory 180. With such a structure, the transmitter 150 may perform the method of the various embodiments described above.
  • Processors 120 and 170 of each of receiver 100 and transmitter 150 direct (eg, control, coordinate, manage, etc.) operation at receiver 100 and transmitter 150, respectively.
  • Each of the processors 120 and 170 may be connected to memories 130 and 180 that store program codes and data.
  • the memories 130 and 180 are coupled to the processors 120 and 170 to store operating systems, applications, and general files.
  • the processors 120 and 170 of the present invention may also be referred to as a controller, a microcontroller, a microprocessor, a microcomputer, or the like.
  • the processors 120 and 170 may be implemented by hardware or firmware, software, or a combination thereof.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs Field programmable gate arrays
  • the above-described method may be written as a program executable on a computer, and may be implemented in a general-purpose digital computer which operates the program using a computer readable medium.
  • the structure of the data used in the above-described method can be recorded on the computer-readable medium through various means.
  • Program storage devices that may be used to describe storage devices that include executable computer code for performing the various methods of the present invention should not be understood to include transient objects, such as carrier waves or signals. do.
  • the computer readable medium includes a storage medium such as a magnetic storage medium (eg, a ROM, a floppy disk, a hard disk, etc.), an optical reading medium (eg, a CD-ROM, a DVD, etc.).
  • pilot sequence generation and transmission method has been described with reference to the example applied to the IEEE 802.11 system and the HEW system, but it is possible to apply to various wireless communication systems in addition to the IEEE 802.11 system and the HEW system.

Abstract

Non-CAZAC 특성을 갖는 베이스라인 시퀀스에 기초하여 시퀀스 셋을 생성하고, 각각 서로 다른 추가적인 정보에 대응하는 시퀀스 셋 중 어느 하나의 파일럿 시퀀스를 선택하여 수신기로 전송하는 파일럿 시퀀스 전송 방법이 개시된다.

Description

무선 통신 시스템에서 NON-CAZAC 시퀀스를 이용하여 파일럿 시퀀스를 생성하고 전송하는 방법
이하의 설명은 무선 통신 시스템에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 무선랜 시스템에서 Non-CAZAC 시퀀스를 이용하여 파일럿 시퀀스를 생성하고 전송하는 방법 및 장치에 대한 것이다.
최근 정보통신 기술의 발전과 더불어 다양한 무선 통신 기술이 개발되고 있다. 이 중에서 무선랜(WLAN)은 무선 주파수 기술을 바탕으로 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 랩탑 컴퓨터, 휴대용 멀티미디어 플레이어(Portable Multimedia Player; PMP)등과 같은 휴대용 단말기를 이용하여 가정이나 기업 또는 특정 서비스 제공지역에서 무선으로 인터넷에 액세스할 수 있도록 하는 기술이다.
무선랜에서 취약점으로 지적되어온 통신 속도에 대한 한계를 극복하기 위하여 최근의 기술 표준에서는 네트워크의 속도와 신뢰성을 증가시키고, 무선 네트워크의 운영 거리를 확장한 시스템이 도입되었다. 예를 들어, IEEE 802.11n에서는 데이터 처리 속도가 최대 540Mbps 이상인 고처리율(High Throughput; HT)을 지원하며, 또한 전송 에러를 최소화하고 데이터 속도를 최적화하기 위해 송신부와 수신부 양단 모두에 다중 안테나를 사용하는 MIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs) 기술의 적용이 도입되었다.
차세대 통신 기술로서 M2M(Machine-to-Machine) 통신 기술이 논의되고 있다. IEEE 802.11 WLAN 시스템에서도 M2M 통신을 지원하기 위한 기술 표준이 IEEE 802.11ah로서 개발되고 있다. M2M 통신에서는 매우 많은 기기가 존재하는 환경에서 가끔씩 적은 양의 데이터를 저속으로 통신하는 시나리오를 고려할 수 있다.
무선랜 시스템에서의 통신은 모든 기기 간에 공유되는 매체(medium)에서 수행된다. M2M 통신과 같이 기기의 개수가 증가하는 경우, 불필요한 전력 소모 및 간섭 발생을 저감하기 위해서, 채널 액세스 메커니즘을 보다 효율적으로 개선할 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 일반적인 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 파일럿 시퀀스의 설계를 통해 효율적인 정보 전송을 도모하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 Non-CAZAC 시퀀스가 이용되는 경우에도 수신기의 성능을 최대한 확보하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 목적들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 발명의 실시 예들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 파일럿 시퀀스 전송 방법은, Non-CAZAC(Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 특성을 갖는 베이스라인(baseline) 시퀀스를 생성하는 단계, 베이스라인 시퀀스를 시간축 상에서 시프팅하여 복수의 파일럿 시퀀스를 생성하는 단계, 및 복수의 파일럿 시퀀스로 구성되는 시퀀스 셋 중에서 선택된 어느 하나의 파일럿 시퀀스를 수신기로 전송하는 단계를 포함하고, 시프팅은 복수의 파일럿 시퀀스 간의 상관관계가 최소가 되도록 수행되며, 시퀀스 셋에 포함된 파일럿 시퀀스 각각은 수신기에 전송될 서로 다른 추가적인 정보에 각각 대응한다.
시프팅의 최소 값은 채널 유효 지연 구간 및 타이밍 오프셋 중 적어도 하나를 고려하여 결정될 수 있다.
수신기가 타이밍 오프셋을 추정할 수 있는 경우, 시프팅의 최소 값은 채널 유효 지연 구간만을 고려하여 결정될 수 있다.
복수의 파일럿 시퀀스를 생성하는 단계는, 양자화된 추 시퀀스(quantized Chu sequence)를 복수의 파일럿 시퀀스로 이용할 수 있다.
양자화된 추 시퀀스는 추 시퀀스의 위상을 기결정된 성상도 중 어느 하나의 위상으로 근사화하여 생성될 수 있다.
기결정된 성상도는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 8-PSK(Phase Shift Keying), 16-PSK, 32-PSK 중 어느 하나일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 송신기는, 송신부, 수신부, 및 송신부 및 수신부와 연결되어 동작하는 프로세서를 포함하되, 프로세서는, Non-CAZAC(Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 특성을 갖는 베이스라인(baseline) 시퀀스를 생성하고, 베이스라인 시퀀스를 시간축 상에서 시프팅하여 복수의 파일럿 시퀀스를 생성하고, 복수의 파일럿 시퀀스로 구성되는 시퀀스 셋 중에서 선택된 어느 하나의 파일럿 시퀀스를 수신기로 전송하도록 동작하되, 시프팅은 복수의 파일럿 시퀀스 간의 상관관계가 최소가 되도록 수행되며, 시퀀스 셋에 포함된 파일럿 시퀀스 각각은 수신기에 전송될 서로 다른 추가적인 정보에 각각 대응한다.
본 발명의 실시 예들에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째로, Non-CAZAC 시퀀스를 이용한 시퀀스 셋을 정의함으로써, 수신기의 식별 성능을 향상시킬 수 있다.
둘째로, 시퀀스 셋을 설계하는 과정에서 파일럿 시퀀스 간의 상관관계를 최소화함으로써 수신기의 식별 성능을 보장할 수 있다.
셋째로, 송신기의 하드웨어 성능을 고려한 시퀀스 셋이 이용됨으로써, EVM 문제의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 이하의 본 발명의 실시 예들에 대한 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 발명을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 발명의 실시 예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 IEEE 802.11 시스템의 예시적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 IEEE 802.11 시스템의 다른 예시적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 IEEE 802.11 시스템의 또 다른 예시적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 무선랜 시스템의 예시적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 무선랜 시스템에서의 링크 셋업 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 백오프 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 숨겨진 노드 및 노출된 노드에 대한 설명을 위한 도면이다.
도 8은 RTS와 CTS를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 전력 관리 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 TIM을 수신한 STA의 동작을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 그룹 기반 AID에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 14 내지 도 16은 그룹 채널 액세스 인터벌이 설정되는 경우의 STA의 동작의 예시들을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예와 관련된 프레임 구조를 도시하는 도면이다.
도 18은 파일럿 시퀀스를 도시하는 도면이다.
도 19는 파일럿 시퀀스의 원형 시프팅을 도시하는 도면이다.
도 20은 파일럿 시퀀스 식별을 위한 수신기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 21은 수신기가 수신한 시퀀스 셋의 수신 신호를 설명하는 도면이다.
도 22는 소정 간격을 두고 생성된 파일럿 시퀀스들로 구성되는 시퀀스 셋을 설명하는 도면이다.
도 23은 도 22에서 설명한 시퀀스 셋의 수신 신호를 설명하는 도면이다.
도 24는 타이밍 오프셋(timing offset)을 설명하는 도면이다.
도 25는 타이밍 오프셋을 고려하여 수신 신호를 설명하는 도면이다.
도 26은 타이밍 오프셋을 고려하여 ZCZ(Zero Correlation Zone)의 크기를 조절하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 27은 CAZAC 시퀀스를 이용한 파일럿 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 28은 Non-CAZAC 시퀀스의 특성을 설명하는 도면이다.
도 29는 Non-CAZAC 시퀀스를 이용한 파일럿 시퀀스의 수신 과정을 설명하는 도면이다.
도 30은 시프팅 값에 따른 파일럿 시퀀스들 간의 상관관계를 도시하는 도면이다.
도 31은 양자화된 추(Chu) 시퀀스를 이용한 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 32는 제안하는 실시 예에 따른 송신기 및 수신기의 동작 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 33은 본 발명의 일 실시 예와 관련된 단말 및 기지국의 구성을 도시하는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하의 실시 예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시 예를 구성할 수도 있다. 본 발명의 실시 예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시 예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시 예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시 예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.
도면에 대한 설명에서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 절차 또는 단계 등은 기술하지 않았으며, 당업자의 수준에서 이해할 수 있을 정도의 절차 또는 단계는 또한 기술하지 아니하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함(comprising 또는 including)”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”, “…기”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, “일(a 또는 an)”, “하나(one)”, “그(the)” 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 본 발명의 실시 예들은 기지국과 이동국 간의 데이터 송수신 관계를 중심으로 설명되었다. 여기서, 기지국은 이동국과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미가 있다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다.
즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 이동국과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있다. 이때, ‘기지국’은 고정국(fixed station), Node B, eNode B(eNB), 발전된 기지국(Advanced Base Station, ABS) 또는 액세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.
또한, ‘이동국(Mobile Station, MS)’은 UE(User Equipment), SS(Subscriber Station), MSS(Mobile Subscriber Station), 이동 단말(Mobile Terminal), 발전된 이동단말(Advanced Mobile Station, AMS), 단말(Terminal) 또는 스테이션(STAtion, STA) 등의 용어로 대체될 수 있다.
또한, 송신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 제공하는 고정 및/또는 이동 노드를 말하고, 수신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 수신하는 고정 및/또는 이동 노드를 의미한다. 따라서, 상향링크에서는 이동국이 송신단이 되고, 기지국이 수신단이 될 수 있다. 마찬가지로, 하향링크에서는 이동국이 수신단이 되고, 기지국이 송신단이 될 수 있다.
또한, 디바이스가 ‘셀’과 통신을 수행한다는 기재는 디바이스가 해당 셀의 기지국과 신호를 송수신하는 것을 의미할 수 있다. 즉, 디바이스가 신호를 송신하고 수신하는 실질적인 대상은 특정 기지국이 될 수 있으나, 기재의 편의상 특정 기지국에 의해 형성되는 셀과 신호를 송수신하는 것으로 기재될 수 있다. 마찬가지로, ‘매크로 셀’ 및/또는 ‘스몰 셀’ 이라는 기재는 각각 특정한 커버리지(coverage)를 의미할 수 있을 뿐 아니라, ‘매크로 셀을 지원하는 매크로 기지국’ 및/또는 ‘스몰 셀을 지원하는 스몰 셀 기지국’을 의미할 수도 있다.
본 발명의 실시 예들은 무선 접속 시스템들인 IEEE 802.xx 시스템, 3GPP 시스템, 3GPP LTE 시스템 및 3GPP2 시스템 중 적어도 하나에 개시된 표준 문서들에 의해 뒷받침될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예들 중 설명하지 않은 자명한 단계들 또는 부분들은 상기 문서들을 참조하여 설명될 수 있다.
또한, 본 문서에서 개시하고 있는 모든 용어들은 상기 표준 문서에 의해 설명될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시 예들은 IEEE 802.16 시스템의 표준 문서인 P802.16e-2004, P802.16e-2005, P802.16.1, P802.16p 및 P802.16.1b 표준 문서들 중 하나 이상에 의해 뒷받침될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
또한, 본 발명의 실시 예들에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
1. IEEE 802.11 시스템 일반
1.1 WLAN 시스템의 구조
도 1 은 본 발명이 적용될 수 있는 IEEE 802.11 시스템의 예시적인 구조를 나타내는 도면이다.
IEEE 802.11 구조는 복수개의 구성요소들로 구성될 수 있고, 이들의 상호작용에 의해 상위계층에 대해 투명(transparent)한 STA(station) 이동성을 지원하는 WLAN이 제공될 수 있다. 기본 서비스 세트(Basic Service Set; BSS)는 IEEE 802.11 LAN에서의 기본적인 구성 블록에 해당할 수 있다. 도 1 에서는 2 개의 BSS(BSS1 및 BSS2)가 존재하고 각각의 BSS의 멤버로서 2 개의 STA이 포함되는 것(STA1 및 STA2 는 BSS1에 포함되고, STA3 및 STA4는 BSS2에 포함됨)을 예시적으로 도시한다. 도 1 에서 BSS를 나타내는 타원은 해당 BSS에 포함된 STA들이 통신을 유지하는 커버리지 영역을 나타내는 것으로도 이해될 수 있다. 이 영역을 BSA(Basic Service Area)라고 칭할 수 있다. STA이 BSA 밖으로 이동하게 되면 해당 BSA 내의 다른 STA들과 직접적으로 통신할 수 없게 된다.
IEEE 802.11 LAN에서 가장 기본적인 타입의 BSS는 독립적인 BSS(Independent BSS; IBSS)이다. 예를 들어, IBSS는 2 개의 STA만으로 구성된 최소의 형태를 가질 수 있다. 또한, 가장 단순한 형태이고 다른 구성요소들이 생략되어 있는 도 1 의 BSS(BSS1 또는 BSS2)가 IBSS의 대표적인 예시에 해당할 수 있다. 이러한 구성은 STA들이 직접 통신할 수 있는 경우에 가능하다. 또한, 이러한 형태의 LAN은 미리 계획되어서 구성되는 것이 아니라 LAN이 필요한 경우에 구성될 수 있으며, 이를 애드-혹(ad-hoc) 네트워크라고 칭할 수도 있다.
STA의 켜지거나 꺼짐, STA이 BSS 영역에 들어오거나 나감 등에 의해서, BSS에서의 STA의 멤버십이 동적으로 변경될 수 있다. BSS의 멤버가 되기 위해서는, STA은 동기화 과정을 이용하여 BSS에 조인할 수 있다. BSS 기반 구조의 모든 서비스에 액세스하기 위해서는, STA은 BSS에 연관(associated)되어야 한다. 이러한 연관(association)은 동적으로 설정될 수 있고, 분배 시스템 서비스(Distribution System Service; DSS)의 이용을 포함할 수도 있다.
도 2 는 본 발명이 적용될 수 있는 IEEE 802.11 시스템의 다른 예시적인 구조를 나타내는 도면이다. 도 2 에서는 도 1 의 구조에서 분배 시스템(Distribution System; DS), 분배 시스템 매체(Distribution System Medium; DSM), 액세스 포인트(Access Point; AP) 등의 구성요소가 추가된 형태이다.
LAN에서 직접적인 스테이션-대-스테이션의 거리는 물리적 성능에 의해 제한될 수 있다. 어떠한 경우에는 이러한 거리의 한계가 충분할 수도 있지만, 경우에 따라서는 보다 먼 거리의 스테이션 간의 통신이 필요할 수도 있다. 확장된 커버리지를 지원하기 위해서 분배 시스템(DS)이 구성될 수 있다.
DS는 BSS들이 상호 연결되는 구조를 의미한다. 구체적으로, 도 1 과 같이 BSS가 독립적으로 존재하는 대신에, 복수개의 BSS들로 구성된 네트워크의 확장된 형태의 구성요소로서 BSS가 존재할 수도 있다.
DS는 논리적인 개념이며 분배 시스템 매체(DSM)의 특성에 의해서 특정될 수 있다. 이와 관련하여, IEEE 802.11 표준에서는 무선 매체(Wireless Medium; WM)와 분배 시스템 매체(DSM)을 논리적으로 구분하고 있다. 각각의 논리적 매체는 상이한 목적을 위해서 사용되며, 상이한 구성요소에 의해서 사용된다. IEEE 802.11 표준의 정의에서는 이러한 매체들이 동일한 것으로 제한하지도 않고 상이한 것으로 제한하지도 않는다. 이와 같이 복수개의 매체들이 논리적으로 상이하다는 점에서, IEEE 802.11 LAN 구조(DS 구조 또는 다른 네트워크 구조)의 유연성이 설명될 수 있다. 즉, IEEE 802.11 LAN 구조는 다양하게 구현될 수 있으며, 각각의 구현예의 물리적인 특성에 의해서 독립적으로 해당 LAN 구조가 특정될 수 있다.
DS는 복수개의 BSS들의 끊김 없는(seamless) 통합을 제공하고 목적지로의 어드레스를 다루는 데에 필요한 논리적 서비스들을 제공함으로써 이동 기기를 지원할 수 있다.
AP 는, 연관된 STA들에 대해서 WM을 통해서 DS 로의 액세스를 가능하게 하고 STA 기능성을 가지는 개체를 의미한다. AP를 통해서 BSS 및 DS 간의 데이터 이동이 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 2 에서 도시하는 STA2 및 STA3 은 STA의 기능성을 가지면서, 연관된 STA들(STA1 및 STA4)가 DS로 액세스하도록 하는 기능을 제공한다. 또한, 모든 AP는 기본적으로 STA에 해당하므로, 모든 AP는 어드레스 가능한 개체이다. WM 상에서의 통신을 위해 AP 에 의해서 사용되는 어드레스와 DSM 상에서의 통신을 위해 AP 에 의해서 사용되는 어드레스는 반드시 동일할 필요는 없다.
AP에 연관된 STA들 중의 하나로부터 그 AP의 STA 어드레스로 전송되는 데이터는, 항상 비제어 포트(uncontrolled port)에서 수신되고 IEEE 802.1X 포트 액세스 개체에 의해서 처리될 수 있다. 또한, 제어 포트(controlled port)가 인증되면 전송 데이터(또는 프레임)는 DS로 전달될 수 있다.
도 3 은 본 발명이 적용될 수 있는 IEEE 802.11 시스템의 또 다른 예시적인 구조를 나타내는 도면이다. 도 3 에서는 도 2 의 구조에 추가적으로 넓은 커버리지를 제공하기 위한 확장된 서비스 세트(Extended Service Set; ESS)를 개념적으로 나타낸다.
임의의(arbitrary) 크기 및 복잡도를 가지는 무선 네트워크가 DS 및 BSS들로 구성될 수 있다. IEEE 802.11 시스템에서는 이러한 방식의 네트워크를 ESS 네트워크라고 칭한다. ESS는 하나의 DS에 연결된 BSS들의 집합에 해당할 수 있다. 그러나, ESS는 DS를 포함하지는 않는다. ESS 네트워크는 LLC(Logical Link Control) 계층에서 IBSS 네트워크로 보이는 점이 특징이다. ESS에 포함되는 STA들은 서로 통신할 수 있고, 이동 STA들은 LLC에 투명하게 하나의 BSS에서 다른 BSS로 (동일한 ESS 내에서) 이동할 수 있다.
IEEE 802.11 에서는 도 3 에서의 BSS들의 상대적인 물리적 위치에 대해서 아무것도 가정하지 않으며, 다음과 같은 형태가 모두 가능하다. BSS들은 부분적으로 중첩될 수 있고, 이는 연속적인 커버리지를 제공하기 위해서 일반적으로 이용되는 형태이다. 또한, BSS들은 물리적으로 연결되어 있지 않을 수 있고, 논리적으로는 BSS들 간의 거리에 제한은 없다. 또한, BSS들은 물리적으로 동일한 위치에 위치할 수 있고, 이는 리던던시(redundancy)를 제공하기 위해서 이용될 수 있다. 또한, 하나 (또는 하나 이상의) IBSS 또는 ESS 네트워크들이 하나 (또는 하나 이상의) ESS 네트워크로서 동일한 공간에 물리적으로 존재할 수 있다. 이는 ESS 네트워크가 존재하는 위치에 애드-혹 네트워크가 동작하는 경우나, 상이한 기관(organizations)에 의해서 물리적으로 중첩되는 IEEE 802.11 네트워크들이 구성되는 경우나, 동일한 위치에서 2 이상의 상이한 액세스 및 보안 정책이 필요한 경우 등에서의 ESS 네트워크 형태에 해당할 수 있다.
도 4 는 무선랜 시스템의 예시적인 구조를 나타내는 도면이다. 도 4 에서는 DS를 포함하는 기반 구조 BSS 의 일례가 도시된다.
도 4 의 예시에서 BSS1 및 BSS2가 ESS를 구성한다. 무선랜 시스템에서 STA은 IEEE 802.11 의 MAC/PHY 규정에 따라 동작하는 기기이다. STA은 AP STA 및 비-AP(non-AP) STA을 포함한다. Non-AP STA은 랩탑 컴퓨터, 이동 전화기와 같이 일반적으로 사용자가 직접 다루는 기기에 해당한다. 도 4 의 예시에서 STA1, STA3, STA4 는 non-AP STA에 해당하고, STA2 및 STA5 는 AP STA 에 해당한다.
이하의 설명에서 non-AP STA은 단말(terminal), 무선 송수신 유닛(Wireless Transmit/Receive Unit; WTRU), 사용자 장치(User Equipment; UE), 이동국(Mobile Station; MS), 이동단말(Mobile Terminal), 이동 가입자국(Mobile Subscriber Station; MSS) 등으로 칭할 수도 있다. 또한, AP는 다른 무선 통신 분야에서의 기지국(Base Station; BS), 노드-B(Node-B), 발전된 노드-B(evolved Node-B; eNB), 기저 송수신 시스템(Base Transceiver System; BTS), 펨토 기지국(Femto BS) 등에 대응하는 개념이다.
1.2 링크 셋업 과정
도 5는 일반적인 링크 셋업(link setup) 과정을 설명하기 위한 도면이다.
STA이 네트워크에 대해서 링크를 셋업하고 데이터를 송수신하기 위해서는, 먼저 네트워크를 발견(discovery)하고, 인증(authentication)을 수행하고, 연관(association)을 맺고(establish), 보안(security)을 위한 인증 절차 등을 거쳐야 한다. 링크 셋업 과정을 세션 개시 과정, 세션 셋업 과정이라고도 칭할 수 있다. 또한, 링크 셋업 과정의 발견, 인증, 연관, 보안 설정의 과정을 통칭하여 연관 과정이라고 칭할 수도 있다.
도 5를 참조하여 예시적인 링크 셋업 과정에 대해서 설명한다.
단계 S510에서 STA은 네트워크 발견 동작을 수행할 수 있다. 네트워크 발견 동작은 STA의 스캐닝(scanning) 동작을 포함할 수 있다. 즉, STA이 네트워크에 액세스하기 위해서는 참여 가능한 네트워크를 찾아야 한다. STA은 무선 네트워크에 참여하기 전에 호환 가능한 네트워크를 식별하여야 하는데, 특정 영역에 존재하는 네트워크 식별과정을 스캐닝이라고 한다. 스캐닝 방식에는 능동적 스캐닝(active scanning)과 수동적 스캐닝(passive scanning)이 있다.
도 5에서는 예시적으로 능동적 스캐닝 과정을 포함하는 네트워크 발견 동작을 도시한다. 능동적 스캐닝에서 스캐닝을 수행하는 STA은 채널들을 옮기면서 주변에 어떤 AP가 존재하는지 탐색하기 위해 프로브 요청 프레임(probe request frame)을 전송하고 이에 대한 응답을 기다린다. 응답자(responder)는 프로브 요청 프레임을 전송한 STA에게 프로브 요청 프레임에 대한 응답으로 프로브 응답 프레임(probe response frame)을 전송한다. 여기에서, 응답자는 스캐닝되고 있는 채널의 BSS에서 마지막으로 비콘 프레임(beacon frame)을 전송한 STA일 수 있다. BSS에서는 AP가 비콘 프레임을 전송하므로 AP가 응답자가 되며, IBSS에서는 IBSS 내의 STA들이 돌아가면서 비콘 프레임을 전송하므로 응답자가 일정하지 않다. 예를 들어, 1번 채널에서 프로브 요청 프레임을 전송하고 1번 채널에서 프로브 응답 프레임을 수신한 STA은, 수신한 프로브 응답 프레임에 포함된 BSS 관련 정보를 저장하고 다음 채널(예를 들어, 2번 채널)로 이동하여 동일한 방법으로 스캐닝(즉, 2번 채널 상에서 프로브 요청/응답 송수신)을 수행할 수 있다.
도 5에서 도시하고 있지 않지만, 스캐닝 동작은 수동적 스캐닝 방식으로 수행될 수도 있다. 수동적 스캐닝에서 스캐닝을 수행하는 STA은 채널들을 옮기면서 비콘 프레임을 기다린다. 비콘 프레임은 IEEE 802.11에서 관리 프레임(management frame) 중 하나로서, 무선 네트워크의 존재를 알리고, 스캐닝을 수행하는 STA으로 하여금 무선 네트워크를 찾아서, 무선 네트워크에 참여할 수 있도록 주기적으로 전송된다. BSS에서 AP가 비콘 프레임을 주기적으로 전송하는 역할을 수행하고, IBSS에서는 IBSS 내의 STA들이 돌아가면서 비콘 프레임을 전송한다. 스캐닝을 수행하는 STA은 비콘 프레임을 수신하면 비콘 프레임에 포함된 BSS에 대한 정보를 저장하고 다른 채널로 이동하면서 각 채널에서 비콘 프레임 정보를 기록한다. 비콘 프레임을 수신한 STA은, 수신한 비콘 프레임에 포함된 BSS 관련 정보를 저장하고 다음 채널로 이동하여 동일한 방법으로 다음 채널에서 스캐닝을 수행할 수 있다.
능동적 스캐닝과 수동적 스캐닝을 비교하면, 능동적 스캐닝이 수동적 스캐닝보다 딜레이(delay) 및 전력 소모가 작은 장점이 있다.
STA이 네트워크를 발견한 후에, 단계 S520에서 인증 과정이 수행될 수 있다. 이러한 인증 과정은 후술하는 단계 S540의 보안 셋업 동작과 명확하게 구분하기 위해서 첫 번째 인증(first authentication) 과정이라고 칭할 수 있다.
인증 과정은 STA이 인증 요청 프레임(authentication request frame)을 AP에게 전송하고, 이에 응답하여 AP가 인증 응답 프레임(authentication response frame)을 STA에게 전송하는 과정을 포함한다. 인증 요청/응답에 사용되는 인증 프레임(authentication frame)은 관리 프레임에 해당한다.
인증 프레임은 인증 알고리즘 번호(authentication algorithm number), 인증 트랜잭션 시퀀스 번호(authentication transaction sequence number), 상태 코드(status code), 검문 텍스트(challenge text), RSN(Robust Security Network), 유한 순환 그룹(Finite Cyclic Group) 등에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이는 인증 요청/응답 프레임에 포함될 수 있는 정보들의 일부 예시에 해당하며, 다른 정보로 대체되거나, 추가적인 정보가 더 포함될 수 있다.
STA은 인증 요청 프레임을 AP에게 전송할 수 있다. AP는 수신된 인증 요청 프레임에 포함된 정보에 기초하여, 해당 STA에 대한 인증을 허용할지 여부를 결정할 수 있다. AP는 인증 처리의 결과를 인증 응답 프레임을 통하여 STA에게 제공할 수 있다.
STA이 성공적으로 인증된 후에, 단계 S530에서 연관 과정이 수행될 수 있다. 연관 과정은 STA이 연관 요청 프레임(association request frame)을 AP에게 전송하고, 이에 응답하여 AP가 연관 응답 프레임(association response frame)을 STA에게 전송하는 과정을 포함한다.
예를 들어, 연관 요청 프레임은 다양한 능력(capability)에 관련된 정보, 비콘 청취 간격(listen interval), SSID(service set identifier), 지원 레이트(supported rates), 지원 채널(supported channels), RSN, 이동성 도메인, 지원 오퍼레이팅 클래스(supported operating classes), TIM 방송 요청(Traffic Indication Map Broadcast request), 상호동작(interworking) 서비스 능력 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
예를 들어, 연관 응답 프레임은 다양한 능력에 관련된 정보, 상태 코드, AID(Association ID), 지원 레이트, EDCA(Enhanced Distributed Channel Access) 파라미터 세트, RCPI(Received Channel Power Indicator), RSNI(Received Signal to Noise Indicator), 이동성 도메인, 타임아웃 간격(연관 컴백 시간(association comeback time)), 중첩(overlapping) BSS 스캔 파라미터, TIM 방송 응답, QoS 맵 등의 정보를 포함할 수 있다.
이는 연관 요청/응답 프레임에 포함될 수 있는 정보들의 일부 예시에 해당하며, 다른 정보로 대체되거나, 추가적인 정보가 더 포함될 수 있다.
STA이 네트워크에 성공적으로 연관된 후에, 단계 S540에서 보안 셋업 과정이 수행될 수 있다. 단계 S540의 보안 셋업 과정은 RSNA(Robust Security Network Association) 요청/응답을 통한 인증 과정이라고 할 수도 있고, 상기 단계 S520의 인증 과정을 첫 번째 인증(first authentication) 과정이라고 하고, 단계 S540의 보안 셋업 과정을 단순히 인증 과정이라고도 칭할 수도 있다.
단계 S540의 보안 셋업 과정은, 예를 들어, EAPOL(Extensible Authentication Protocol over LAN) 프레임을 통한 4-웨이(way) 핸드쉐이킹(handshaking)을 통해서, 프라이빗 키 셋업(private key setup)을 하는 과정을 포함할 수 있다. 또한, 보안 셋업 과정은 IEEE 802.11 표준에서 정의하지 않는 보안 방식에 따라 수행될 수도 있다.
2.1 WLAN의 진화
무선랜에서 통신 속도에 대한 한계를 극복하기 위하여 비교적 최근에 제정된 기술 표준으로서 IEEE 802.11n이 존재한다. IEEE 802.11n은 네트워크의 속도와 신뢰성을 증가시키고, 무선 네트워크의 운영 거리를 확장하는데 목적을 두고 있다. 보다 구체적으로, IEEE 802.11n에서는 데이터 처리 속도가 최대 540Mbps 이상인 고처리율(High Throughput; HT)을 지원하며, 또한 전송 에러를 최소화하고 데이터 속도를 최적화하기 위해 송신부와 수신부 양단 모두에 다중 안테나를 사용하는 MIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs) 기술에 기반을 두고 있다.
무선랜의 보급이 활성화되고 또한 이를 이용한 어플리케이션이 다양화됨에 따라, 최근에는 IEEE 802.11n이 지원하는 데이터 처리 속도보다 더 높은 처리율을 지원하기 위한 새로운 무선랜 시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다. 초고처리율(Very High Throughput; VHT)를 지원하는 차세대 무선랜 시스템은 IEEE 802.11n 무선랜 시스템의 다음 버전(예를 들어, IEEE 802.11ac 등)으로서, MAC 서비스 액세스 포인트(Service Access Point; SAP)에서 1Gbps 이상의 데이터 처리 속도를 지원하기 위하여 최근에 새롭게 제안되고 있는 IEEE 802.11 무선랜 시스템중의 하나이다.
차세대 무선랜 시스템은 무선채널을 효율적으로 이용하기 위하여 복수의 STA들이 동시에 채널에 액세스하는 MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output) 방식의 전송을 지원한다. MU-MIMO 전송 방식에 따르면, AP가 MIMO 페어링(pairing)된 하나 이상의 STA에게 동시에 패킷을 전송할 수 있다.
또한, 화이트스페이스(whitespace)에서 무선랜 시스템 동작을 지원하는 것이 논의되고 있다. 예를 들어, 아날로그 TV의 디지털화로 인한 유휴 상태의 주파수 대역(예를 들어, 54~698MHz 대역)과 같은 TV 화이트스페이스(TV WS)에서의 무선랜 시스템의 도입은 IEEE 802.11af 표준으로서 논의되고 있다. 하지만, 이는 예시에 불과하고, 화이트스페이스는 허가된 유저(licensed user)가 우선적으로 사용할 수 있는 허가된 대역이라 할 수 있다. 허가된 유저는 허가된 대역의 사용을 허가 받은 유저를 의미하며, 허가된 장치(licensed device), 프라이머리 유저(primary user), 우선적 사용자(incumbent user) 등으로 칭할 수도 있다.
예를 들어, WS에서 동작하는 AP 및/또는 STA은 허가된 유저에 대한 보호(protection) 기능을 제공하여야 한다. 예를 들어 WS 대역에서 특정 대역폭을 가지도록 규약(regulation)상 분할되어 있는 주파수 대역인 특정 WS 채널을 마이크로폰(microphone)과 같은 허가된 유저가 이미 사용하고 있는 경우, 허가된 유저를 보호하기 위하여 AP 및/또는 STA은 해당 WS 채널에 해당하는 주파수 대역은 사용할 수 없다. 또한, AP 및/또는 STA은 현재 프레임 전송 및/또는 수신을 위해 사용하고 있는 주파수 대역을 허가된 유저가 사용하게 되면 해당 주파수 대역의 사용을 중지해야 한다.
따라서 AP 및/또는STA은 WS 대역 내 특정 주파수 대역의 사용이 가능한지, 다시 말해서 상기 주파수 대역에 허가된 유저가 있는지 여부를 파악하는 절차가 선행되어야 한다. 특정 주파수 대역에 허가된 유저가 있는지 여부를 파악하는 것을 스펙트럼 센싱(spectrum sensing)이라 한다. 스펙트럼 센싱 메커니즘으로 에너지 탐지(energy detection) 방식, 신호 탐지(signature detection) 방식 등이 활용된다. 수신 신호의 강도가 일정 값 이상이면 허가된 유저가 사용중인 것으로 판단하거나, DTV 프리앰블(preamble)이 검출되면 허가된 유저가 사용중인 것으로 판단할 수 있다.
또한, 차세대 통신 기술로서 M2M(Machine-to-Machine) 통신 기술이 논의되고 있다. IEEE 802.11 무선랜 시스템에서도 M2M 통신을 지원하기 위한 기술 표준이 IEEE 802.11ah로서 개발되고 있다. M2M 통신은 하나 이상의 머신(Machine)이 포함되는 통신 방식을 의미하며, MTC(Machine Type Communication) 또는 사물 통신으로 칭하여지기도 한다. 여기서, 머신이란 사람의 직접적인 조작이나 개입을 필요로 하지 않는 개체(entity)를 의미한다. 예를 들어, 무선 통신 모듈이 탑재된 검침기(meter)나 자동 판매기와 같은 장치는 물론, 사용자의 조작/개입 없이 자동으로 네트워크에 접속하여 통신을 수행할 수 있는 스마트폰과 같은 사용자 기기도 머신의 예시에 해당할 수 있다. M2M 통신은 디바이스 간의 통신(예를 들어, D2D(Device-to-Device) 통신), 디바이스와 서버(application server) 간의 통신 등을 포함할 수 있다. 디바이스와 서버 통신의 예시로, 자동 판매기와 서버, POS(Point of Sale) 장치와 서버, 전기, 가스 또는 수도 검침기와 서버 간의 통신을 들 수 있다. 그 외에도 M2M 통신 기반의 애플리케이션(application)에는, 보안(security), 운송(transportation), 헬스 케어(health care) 등이 포함될 수 있다. 이러한 적용례의 특성을 고려하면, 일반적으로 M2M 통신은 매우 많은 기기가 존재하는 환경에서 가끔씩 적은 양의 데이터를 저속으로 송수신하는 것을 지원할 수 있어야 한다.
구체적으로, M2M 통신은 많은 STA의 개수를 지원할 수 있어야 한다. 현재 정의되어 있는 무선랜 시스템에서는 하나의 AP에 최대 2007 개의 STA이 연관되는 경우를 가정하지만, M2M 통신에서는 이보다 많은 개수(약 6000 개)의 STA이 하나의 AP에 연관되는 경우를 지원하는 방안들이 논의되고 있다. 또한, M2M 통신에서는 낮은 전송 속도를 지원/요구하는 애플리케이션이 많을 것으로 예상된다. 이를 원활하게 지원하기 위해서, 예를 들어, 무선랜 시스템에서는 TIM(Traffic Indication Map) 요소 기반으로 STA이 자신에게 송신될 데이터의 존재 여부를 인지할 수 있는데, TIM의 비트맵 크기를 줄이는 방안들이 논의되고 있다. 또한, M2M 통신에서는 송신/수신 간격이 매우 긴 트래픽이 많을 것으로 예상된다. 예를 들어, 전기/가스/수도 사용량과 같이 긴 주기(예를 들어, 한 달) 마다 매우 적은 양의 데이터를 주고 받는 것이 요구된다. 이에 따라, 무선랜 시스템에서는, 하나의 AP에 연관될 수 있는 STA의 개수는 매우 많아지더라도, 하나의 비콘 주기 동안에 AP로부터 수신할 데이터 프레임이 존재하는 STA의 개수가 매우 적은 경우를 효율적으로 지원하는 방안들이 논의되고 있다.
이와 같이 무선랜 기술은 빠르게 진화하게 있으며, 전술한 예시들 외에도 직접 링크 셋업, 미디어 스트리밍 성능의 개선, 고속 및/또는 대규모의 초기 세션 셋업의 지원, 확장된 대역폭 및 동작 주파수의 지원 등을 위한 기술이 개발되고 있다.
2.2 매체 액세스 메커니즘
IEEE 802.11에 따른 무선랜 시스템에서, MAC(Medium Access Control)의 기본 액세스 메커니즘은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 메커니즘이다. CSMA/CA 메커니즘은 IEEE 802.11 MAC의 분배 조정 기능(Distributed Coordination Function, DCF)이라고도 불리는데, 기본적으로 "listen before talk" 액세스 메커니즘을 채용하고 있다. 이러한 유형의 액세스 메커니즘 따르면, AP 및/또는 STA은 전송을 시작하기에 앞서, 소정의 시간구간(예를 들어, DIFS(DCF Inter-Frame Space) 동안 무선 채널 또는 매체(medium)를 센싱(sensing)하는 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행할 수 있다. 센싱 결과, 만일 매체가 유휴 상태(idle status)인 것으로 판단 되면, 해당 매체를 통하여 프레임 전송을 시작한다. 반면, 매체가 점유 상태(occupied status)인 것으로 감지되면, 해당 AP 및/또는 STA은 자기 자신의 전송을 시작하지 않고 매체 액세스를 위한 지연 기간(예를 들어, 임의 백오프 주기(random backoff period))을 설정하여 기다린 후에 프레임 전송을 시도할 수 있다. 임의 백오프 주기의 적용으로, 여러 STA들은 서로 다른 시간 동안 대기한 후에 프레임 전송을 시도할 것이 기대되므로, 충돌(collision)을 최소화시킬 수 있다.
또한, IEEE 802.11 MAC 프로토콜은 HCF(Hybrid Coordination Function)를 제공한다. HCF는 상기 DCF와 PCF(Point Coordination Function)를 기반으로 한다. PCF는 폴링(polling) 기반의 동기식 액세스 방식으로 모든 수신 AP 및/또는 STA이 데이터 프레임을 수신할 수 있도록 주기적으로 폴링하는 방식을 일컫는다. 또한, HCF는 EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)와 HCCA(HCF Controlled Channel Access)를 가진다. EDCA는 제공자가 다수의 사용자에게 데이터 프레임을 제공하기 위한 액세스 방식을 경쟁 기반으로 하는 것이고, HCCA는 폴링(polling) 메커니즘을 이용한 비경쟁 기반의 채널 액세스 방식을 사용하는 것이다. 또한, HCF는 WLAN의 QoS(Quality of Service)를 향상시키기 위한 매체 액세스 메커니즘을 포함하며, 경쟁 주기(Contention Period; CP)와 비경쟁 주기(Contention Free Period; CFP) 모두에서 QoS 데이터를 전송할 수 있다.
도 6은 백오프 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하여 임의 백오프 주기에 기반한 동작에 대해서 설명한다. 점유(occupy 또는 busy) 상태이던 매체가 유휴(idle) 상태로 변경되면, 여러 STA들은 데이터(또는 프레임) 전송을 시도할 수 있다. 이 때, 충돌을 최소화하기 위한 방안으로서, STA들은 각각 임의 백오프 카운트를 선택하고 그에 해당하는 슬롯 시간만큼 대기한 후에, 전송을 시도할 수 있다. 임의 백오프 카운트는 의사-임의 정수(pseudo-random integer) 값을 가지며, 0 내지 CW 범위의 값 중에서 하나로 결정될 수 있다. 여기서, CW는 경쟁 윈도우(Contention Window) 파라미터 값이다. CW 파라미터는 초기값으로 CW_min이 주어지지만, 전송 실패의 경우(예를 들어, 전송된 프레임에 대한 ACK을 수신하지 못한 경우)에 2 배의 값을 취할 수 있다. CW 파라미터 값이 CW_max가 되면 데이터 전송이 성공할 때까지 CW_max 값을 유지하면서 데이터 전송을 시도할 수 있고, 데이터 전송이 성공하는 경우에는 CW_min 값으로 리셋된다. CW, CW_min 및 CW_max 값은 2n-1 (n=0, 1, 2, ...)로 설정되는 것이 바람직하다.
임의 백오프 과정이 시작되면 STA은 결정된 백오프 카운트 값에 따라서 백오프 슬롯을 카운트 다운하는 동안에 계속하여 매체를 모니터링한다. 매체가 점유상태로 모니터링되면 카운트 다운을 멈추고 대기하고, 매체가 유휴 상태가 되면 나머지 카운트 다운을 재개한다.
도 6의 예시에서 STA3의 MAC에 전송할 패킷이 도달한 경우에, STA3는 DIFS 만큼 매체가 유휴 상태인 것을 확인하고 바로 프레임을 전송할 수 있다. 한편, 나머지 STA들은 매체가 점유(busy) 상태인 것을 모니터링하고 대기한다. 그 동안 STA1, STA2 및 STA5의 각각에서도 전송할 데이터가 발생할 수 있고, 각각의 STA은 매체가 유휴상태로 모니터링되면 DIFS만큼 대기한 후에, 각자가 선택한 임의 백오프 카운트 값에 따라 백오프 슬롯의 카운트 다운을 수행할 수 있다.
도 6의 예시에서는 STA2가 가장 작은 백오프 카운트 값을 선택하고, STA1이 가장 큰 백오프 카운트 값을 선택한 경우를 나타낸다. 즉, STA2가 백오프 카운트를 마치고 프레임 전송을 시작하는 시점에서 STA5의 잔여 백오프 시간은 STA1의 잔여 백오프 시간보다 짧은 경우를 예시한다. STA1 및 STA5는 STA2가 매체를 점유하는 동안에 잠시 카운트 다운을 멈추고 대기한다. STA2의 점유가 종료되어 매체가 다시 유휴 상태가 되면, STA1 및 STA5는 DIFS만큼 대기한 후에, 멈추었던 백오프 카운트를 재개한다. 즉, 잔여 백오프 시간만큼의 나머지 백오프 슬롯을 카운트 다운한 후에 프레임 전송을 시작할 수 있다. STA5의 잔여 백오프 시간이 STA1보다 짧았으므로 STA5이 프레임 전송을 시작하게 된다.
한편, STA2가 매체를 점유하는 동안에 STA4에서도 전송할 데이터가 발생할 수 있다. 이 때, STA4의 입장에서는 매체가 유휴 상태가 되면 DIFS만큼 대기한 후, 자신이 선택한 임의 백오프 카운트 값에 따른 카운트 다운을 수행하고 프레임 전송을 시작할 수 있다. 도 6의 예시에서는 STA5의 잔여 백오프 시간이 STA4의 임의 백오프 카운트 값과 우연히 일치하는 경우를 나타내며, 이 경우, STA4와 STA5 간에 충돌이 발생할 수 있다. 충돌이 발생하는 경우에는 STA4와 STA5 모두 ACK을 받지 못하여, 데이터 전송을 실패하게 된다. 이 경우, STA4와 STA5는 CW 값을 2배로 늘린 후에 임의 백오프 카운트 값을 선택하고 카운트 다운을 수행할 수 있다. 한편, STA1은 STA4와 STA5의 전송으로 인해 매체가 점유 상태인 동안에 대기하고 있다가, 매체가 유휴 상태가 되면 DIFS만큼 대기한 후, 잔여 백오프 시간이 지나면 프레임 전송을 시작할 수 있다.
2.3 STA의 센싱 동작
전술한 바와 같이 CSMA/CA 메커니즘은 AP 및/또는 STA이 매체를 직접 센싱하는 물리적 캐리어 센싱(physical carrier sensing) 외에 가상 캐리어 센싱(virtual carrier sensing)도 포함한다. 가상 캐리어 센싱은 숨겨진 노드 문제(hidden node problem) 등과 같이 매체 액세스에서 발생할 수 있는 문제를 보완하기 위한 것이다. 가상 캐리어 센싱을 위하여, 무선랜 시스템의 MAC 은 네트워크 할당 벡터(Network Allocation Vector; NAV)를 이용할 수 있다. NAV는 현재 매체를 사용하고 있거나 또는 사용할 권한이 있는 AP 및/또는 STA이, 매체가 이용 가능한 상태로 되기까지 남아 있는 시간을 다른 AP 및/또는 STA에게 지시(indicate)하는 값이다. 따라서 NAV로 설정된 값은 해당 프레임을 전송하는 AP 및/또는 STA에 의하여 매체의 사용이 예정되어 있는 기간에 해당하고, NAV 값을 수신하는 STA은 해당 기간 동안 매체 액세스가 금지된다. NAV는, 예를 들어, 프레임의 MAC 헤더(header)의 "duration" 필드의 값에 따라 설정될 수 있다.
또한, 충돌 가능성을 감소시키기 위해서 강인한 충돌 검출(robust collision detect) 메커니즘이 도입되었다. 이에 대해서 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다. 실제 캐리어 센싱 범위와 전송 범위는 동일하지 않을 수도 있지만, 설명의 편의를 위해서 동일한 것으로 가정한다.
도 7은 숨겨진 노드 및 노출된 노드에 대한 설명을 위한 도면이다.
도 7(a)는 숨겨진 노드에 대한 예시이며, STA A와 STA B는 통신 중에 있고 STA C가 전송할 정보를 가지고 있는 경우이다. 구체적으로 STA A가 STA B에 정보를 전송하고 있는 상황이지만, STA C가 STA B로 데이터를 보내기 전에 캐리어 센싱을 수행할 때에 매체가 유휴 상태인 것으로 판단할 수 있다. 이는 STA A의 전송(즉, 매체 점유)을 STA C의 위치에서는 센싱하지 못할 수도 있기 때문이다. 이러한 경우에, STA B는 STA A와 STA C의 정보를 동시에 받기 때문에 충돌이 발생하게 된다. 이 때 STA A는 STA C의 숨겨진 노드라고 할 수 있다.
도 7(b)는 노출된 노드(exposed node)에 대한 예시이며, STA B는 STA A에 데이터를 전송하고 있는 상황에서, STA C가 STA D에서 전송할 정보를 가지고 있는 경우이다. 이 경우에 STA C가 캐리어 센싱을 수행하면, STA B의 전송으로 인하여 매체가 점유된 상태라고 판단할 수 있다. 이에 따라, STA C가 STA D에 전송할 정보가 있더라도 매체 점유 상태라고 센싱되기 때문에 매체가 유휴 상태가 될 때까지 기다려야 한다. 그러나, 실제로는 STA A는 STA C의 전송 범위 밖에 있으므로, STA C로부터의 전송과 STA B로부터의 전송은 STA A의 입장에서는 충돌하지 않을 수도 있으므로, STA C는 STA B가 전송을 멈출 때까지 불필요하게 대기하는 것이 된다. 이 때 STA C를 STA B의 노출된 노드라고 할 수 있다.
도 8은 RTS와 CTS를 설명하기 위한 도면이다.
도 7과 같은 예시적인 상황에서 충돌 회피(collision avoidance) 메커니즘을 효율적으로 이용하기 위해서, RTS(request to send)와 CTS(clear to send)등의 짧은 시그널링 패킷(short signaling packet)을 이용할 수 있다. 두 STA 간의 RTS/CTS는 주위의 STA(들)이 오버히어링(overhearing)할 수 있도록 하여, 상기 주위의 STA(들)이 상기 두 STA 간의 정보 전송 여부를 고려하도록 할 수 있다. 예를 들어, 데이터를 전송하려는 STA이 데이터를 받는 STA에 RTS 프레임을 전송하면, 데이터를 받는 STA은 CTS 프레임을 주위의 단말들에게 전송함으로써 자신이 데이터를 받을 것임을 알릴 수 있다.
도 8(a)는 숨겨진 노드 문제를 해결하는 방법에 대한 예시이며, STA A와 STA C가 모두 STA B에 데이터를 전송하려고 하는 경우를 가정한다. STA A가 RTS를 STA B에 보내면 STA B는 CTS를 자신의 주위에 있는 STA A와 STA C에 모두 전송을 한다. 그 결과 STA C는 STA A와 STA B의 데이터 전송이 끝날 때까지 기다리게 되어 충돌을 피할 수 있게 된다.
도 8(b)는 노출된 노드 문제를 해결하는 방법에 대한 예시이며, STA A와 STA B 간의 RTS/CTS 전송을 STA C가 오버히어링 함으로써, STA C는 자신이 다른 STA(예를 들어, STA D)에게 데이터를 전송하더라도 충돌이 발생하지 않을 것으로 판단할 수 있다. 즉, STA B는 주위의 모든 단말기에 RTS를 전송하고, 실제로 보낼 데이터가 있는 STA A만 CTS를 전송하게 된다. STA C는 RTS만을 받고 STA A의 CTS를 받지 못했기 때문에 STA A는 STC C의 캐리어 센싱 밖에 있다는 것을 알 수 있다.
2.4 전력 관리
전술한 바와 같이 무선랜 시스템에서는 STA이 송수신을 수행하기 전에 채널 센싱을 수행해야 하는데, 채널을 항상 센싱하는 것은 STA의 지속적인 전력 소모를 야기한다. 수신 상태에서의 전력 소모는 송신 상태에서의 전력 소모에 비하여 크게 차이가 나지 않으며, 수신 상태를 계속 유지하는 것도 전력이 제한된(즉, 배터리에 의해 동작하는) STA에게 큰 부담이 된다. 따라서, STA이 지속적으로 채널을 센싱하기 위해서 수신 대기 상태를 유지하면, 무선랜 처리율 측면에서 특별한 이점 없이 전력을 비효율적으로 소모하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 무선랜 시스템에서는 STA의 전력 관리(power management; PM) 모드를 지원한다.
STA의 전력 관리 모드는 액티브(active) 모드 및 전력 절약(power save; PS) 모드로 나뉘어 진다. STA은 기본적으로 액티브 모드로 동작한다. 액티브 모드로 동작하는 STA은 어웨이크 상태(awake state)를 유지한다. 어웨이크 상태는, 프레임 송수신이나 채널 스캐닝 등 정상적인 동작이 가능한 상태이다. 한편, PS 모드로 동작하는 STA은 슬립 상태(sleep state)와 어웨이크 상태(awake state)를 전환(switch)해가며 동작한다. 슬립 상태로 동작하는 STA은 최소한의 전력으로 동작하며, 프레임 송수신은 물론 채널 스캐닝도 수행하지 않는다.
STA이 슬립 상태로 가능한 오래 동작할수록 전력 소모가 줄어들기 때문에, STA은 동작 기간이 증가한다. 하지만 슬립 상태에서는 프레임 송수신이 불가능하기 때문에 무조건적으로 오래 동작할 수는 없다. 슬립 상태로 동작하는 STA이 AP에게 전송할 프레임이 존재하는 경우 어웨이크 상태로 전환하여 프레임을 송신할 수 있다. 한편, AP가 STA에게 전송할 프레임이 있는 경우, 슬립 상태의 STA은 이를 수신할 수 없으며 수신할 프레임이 존재하는 것도 알 수 없다. 따라서, STA은 자신에게 전송될 프레임의 존재 여부를 알기 위해(또한 존재한다면 이를 수신하기 위해) 특정 주기에 따라 어웨이크 상태로 전환하는 동작이 필요할 수 있다.
도 9는 전력 관리 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, AP(210)는 일정한 주기로 비콘 프레임(beacon frame)을 BSS 내의 STA들에게 전송한다(S211, S212, S213, S214, S215, S216). 비콘 프레임에는 TIM(Traffic Indication Map) 정보 요소(Information Element)가 포함된다. TIM 정보 요소는 AP(210)가 자신과 연관된 STA들에 대한 버퍼된 트래픽이 존재하며, 프레임을 전송할 것임을 알려주는 정보를 포함한다. TIM 요소에는 유니캐스트(unicast) 프레임을 알려주는데 사용되는 TIM과 멀티캐스트(multicast) 또는 브로드캐스트(broadcast) 프레임을 알려주는데 사용되는 DTIM(delivery traffic indication map)이 있다.
AP(210)는 3번의 비콘 프레임을 전송할 때 마다 1회씩 DTIM을 전송할 수 있다. STA1(220) 및 STA2(222)는 PS 모드로 동작하는 STA이다. STA1(220) 및 STA2(222)는 소정의 주기의 웨이크업 인터벌(wakeup interval) 마다 슬립 상태에서 어웨이크 상태로 전환하여 AP(210)에 의하여 전송된 TIM 요소를 수신할 수 있도록 설정될 수 있다. 각각의 STA은 자신의 로컬 클럭(local clock)에 기초하여 어웨이크 상태로 전환할 시점을 계산할 수 있으며, 도 9의 예시에서는 STA의 클럭은 AP의 클럭과 일치하는 것으로 가정한다.
예를 들어, 상기 소정의 웨이크업 인터벌은, STA1(220)이 비콘 인터벌마다 어웨이크 상태로 전환하여 TIM 요소를 수신할 수 있도록 설정될 수 있다. 따라서, STA1(220)은 AP(210)가 첫 번째로 비콘 프레임을 전송할 때(S211) 어웨이크 상태로 전환될 수 있다(S221). STA1(220)은 비콘 프레임을 수신하고 TIM 요소를 획득할 수 있다. 획득된 TIM 요소가 STA1(220)에게 전송될 프레임이 있음을 지시하는 경우, STA1(220)은 AP(210)에게 프레임 전송을 요청하는 PS-Poll(Power Save-Poll) 프레임을 AP(210)에게 전송할 수 있다(S221a). AP(210)는 PS-Poll 프레임에 대응하여 프레임을 STA1(220)에게 전송할 수 있다(S231). 프레임 수신을 완료한 STA1(220)은 다시 슬립 상태로 전환하여 동작한다.
AP(210)가 두 번째로 비콘 프레임을 전송함에 있어서, 다른 장치가 매체에 액세스하고 있는 등 매체가 점유된(busy medium) 상태이므로, AP(210)는 정확한 비콘 인터벌에 맞추어 비콘 프레임을 전송하지 못하고 지연된 시점에 전송할 수 있다(S212). 이 경우 STA1(220)은 비콘 인터벌에 맞추어 동작 모드를 어웨이크 상태로 전환하지만, 지연 전송되는 비콘 프레임을 수신하지 못하여 다시 슬립 상태로 전환한다(S222).
AP(210)가 세 번째로 비콘 프레임을 전송할 때, 해당 비콘 프레임에는 DTIM으로 설정된 TIM 요소가 포함될 수 있다. 다만, 매체가 점유된(busy medium) 상태이므로 AP(210)는 비콘 프레임을 지연 전송한다(S213). STA1(220)은 비콘 인터벌에 맞추어 어웨이크 상태로 전환하여 동작하며, AP(210)에 의해 전송되는 비콘 프레임을 통하여 DTIM을 획득할 수 있다. STA1(220)이 획득한 DTIM은 STA1(220)에 전송될 프레임은 없으며 다른 STA을 위한 프레임이 존재함을 지시하는 경우를 가정한다. 이 경우, STA1(220)은 자신이 수신할 프레임이 없음을 확인하고, 다시 슬립 상태로 전환하여 동작할 수 있다. AP(210)는 비콘 프레임 전송 후 프레임을 해당 STA에게 전송한다(S232).
AP(210)는 네 번째로 비콘 프레임을 전송한다(S214). 다만, STA1(220)은 이 전 2회에 걸친 TIM 요소 수신을 통해 자신에 대한 버퍼된 트래픽이 존재한다는 정보를 획득할 수 없었으므로, TIM 요소 수신을 위한 웨이크업 인터벌을 조정할 수 있다. 또는, AP(210)에 의해 전송되는 비콘 프레임에 STA1(220)의 웨이크업 인터벌 값을 조정을 위한 시그널링 정보가 포함된 경우, STA1(220)의 웨이크업 인터벌 값이 조정될 수 있다. 본 예시에서, STA1(220)은 비콘 인터벌마다 TIM 요소 수신을 위해 운영 상태를 전환하던 것을 3회의 비콘 인터벌마다 한 번 깨어나는 것으로 운영 상태를 전환하도록 설정될 수 있다. 따라서, STA1(220)은 AP(210)가 네 번째 비콘 프레임을 전송하고(S214), 다섯 번째 비콘 프레임을 전송하는 시점에(S215) 슬립 상태를 유지하므로 해당 TIM 요소를 획득할 수 없다.
AP(210)가 여섯 번째로 비콘 프레임을 전송할 때(S216), STA1(220)은 어웨이크 상태로 전환하여 동작하고 비콘 프레임에 포함된 TIM요소를 획득할 수 있다(S224). TIM 요소는 브로드캐스트 프레임이 존재함을 지시하는 DTIM이므로, STA1(220)은 PS-Poll 프레임을 AP(210)에게 전송하지 않고, AP(210)에 의해 전송되는 브로드캐스트 프레임을 수신할 수 있다(S234). 한편 STA2(230)에 설정된 웨이크업 인터벌은 STA1(220)보다 긴 주기로 설정될 수 있다. 따라서, STA2(230)는 AP(210)가 다섯 번째로 비콘 프레임을 전송하는 시점(S215)에 어웨이크 상태로 전환하여 TIM 요소를 수신할 수 있다(S241). STA2(230)는 TIM 요소를 통하여 자신에게 전송될 프레임이 존재함을 알고, 프레임 전송을 요청하기 위해 AP(210)에게 PS-Poll 프레임을 전송할 수 있다(S241a). AP(210)는 PS-Poll 프레임에 대응하여 STA2(230)에게 프레임을 전송할 수 있다(S233).
도 9와 같은 전력 절약 모드 운영을 위해 TIM 요소에는 STA이 자신에게 전송될 프레임이 존재하는지를 지시하는 TIM 또는 브로드캐스트/멀티캐스트 프레임이 존재하는지를 지시하는 DTIM이 포함된다. DTIM은 TIM 요소의 필드 설정을 통하여 구현될 수 있다.
도 10 내지 12는 TIM을 수신한 STA의 동작을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, STA은 AP로부터 TIM을 포함하는 비콘 프레임을 수신하기 위해 슬립 상태에서 어웨이크 상태로 전환하고, 수신한 TIM 요소를 해석하여 자신에게 전송될 버퍼된 트래픽이 있음을 알 수 있다. STA은 PS-Poll 프레임 전송을 위한 매체 액세스를 위해 다른 STA들과 경쟁(contending)을 수행한 후에, AP에게 데이터 프레임 전송을 요청하기 위하여 PS-Poll 프레임을 전송할 수 있다. STA에 의해 전송된 PS-Poll 프레임을 수신한 AP는 STA에게 프레임을 전송할 수 있다. STA은 데이터 프레임을 수신하고 이에 대한 확인응답(ACK) 프레임을 AP에게 전송할 수 있다. 이후 STA은 다시 슬립 상태로 전환될 수 있다.
도 10과 같이 AP는 STA으로부터 PS-Poll 프레임을 수신한 다음 소정의 시간(예를 들어, SIFS(Short Inter-Frame Space)) 후에 데이터 프레임을 전송하는 즉시 응답(immediate response) 방식에 따라 동작할 수 있다. 한편, AP가 PS-Poll 프레임을 수신한 후에 STA에게 전송할 데이터 프레임을 SIFS 시간 동안에 준비하지 못한 경우에는 지연된 응답(deferred response) 방식에 따라 동작할 수 있으며, 이에 대해서 도 11을 참조하여 설명한다.
도 11의 예시에서 STA이 슬립 상태에서 어웨이크 상태로 전환하여 AP로부터 TIM을 수신하고 경쟁을 거쳐 PS-Poll 프레임을 AP로 전송하는 동작은 도 10의 예시와 동일하다. AP가 PS-Poll 프레임을 수신하고도 SIFS 동안 데이터 프레임을 준비하지 못한 경우, 데이터 프레임을 전송하는 대신 ACK 프레임을 STA에게 전송할 수 있다. AP는 ACK 프레임 전송 후 데이터 프레임이 준비되면, 컨텐딩을 수행한 후 데이터 프레임을 STA에게 전송할 수 있다. STA은 데이터 프레임을 성공적으로 수신하였음을 나타내는 ACK 프레임을 AP에게 전송하고, 슬립 상태로 전환될 수 있다.
도 12는 AP가 DTIM을 전송하는 예시에 대한 것이다. STA들은 AP로부터 DTIM 요소를 포함하는 비콘 프레임을 수신하기 위해 슬립 상태에서 어웨이크 상태로 전환할 수 있다. STA들은 수신한 DTIM을 통해 멀티캐스트/브로드캐스트 프레임이 전송될 것임을 알 수 있다. AP는 DTIM을 포함하는 비콘 프레임 전송 후 PS-Poll 프레임의 송수신 동작 없이 바로 데이터(즉, 멀티캐스트/브로드캐스트 프레임)를 전송할 수 있다. STA들은 DTIM을 포함하는 비콘 프레임을 받은 후에 계속하여 어웨이크 상태를 유지하는 중에 데이터를 수신하고, 데이터 수신이 완료된 후에 다시 슬립 상태로 전환할 수 있다.
2.5 TIM 구조
상기 도 9 내지 12를 참조하여 설명한 TIM(또는 DTIM) 프로토콜을 기반으로 한 전력 절약 모드 운영 방법에 있어서, STA들은 TIM 요소에 포함된 STA 식별 정보를 통하여 자신을 위해 전송될 데이터 프레임이 존재하는지 여부를 확인할 수 있다. STA 식별 정보는 STA이 AP와 연관(association)시에 할당 받는 식별자인 AID(Association Identifier)와 관련된 정보일 수 있다.
AID는 하나의 BSS 내에서는 각각의 STA에 대한 고유한(unique) 식별자로써 사용된다. 일례로, 현재 무선랜 시스템에서 AID는 1에서 2007까지의 값 중 하나의 값으로 할당될 수 있다. 현재 정의되어 있는 무선랜 시스템에서는, AP 및/또는 STA이 전송하는 프레임에는 AID를 위하여 14비트가 할당될 수 있으며, AID 값은 16383까지 할당될 수 있으나 2008에서 16383은 예비(reserved) 값으로 설정되어 있다.
기존의 정의에 따른 TIM 요소는, 하나의 AP에 많은 개수의 (예를 들어, 2007개 초과의) STA들이 연관될 수 있는 M2M 애플리케이션의 적용에 적절하지 않다. 기존의 TIM 구조를 그대로 확장하는 경우에는 TIM 비트맵 크기가 너무 커져서 기존의 프레임 포맷으로는 지원할 수 없고, 낮은 전송 레이트의 애플리케이션을 고려하는 M2M 통신에 적합하지 않다. 또한, M2M 통신에서는 하나의 비콘 주기 동안에 수신 데이터 프레임이 존재하는 STA의 개수가 매우 적을 것으로 예상된다. 따라서, 위와 같은 M2M 통신의 적용예를 고려하면, TIM 비트맵의 크기는 커지지만 대부분의 비트가 0 값을 가지는 경우가 많이 발생할 것으로 예상되므로, 비트맵을 효율적으로 압축하는 기술이 요구된다.
기존의 비트맵 압축 기술로서, 비트맵의 앞부분에 연속되는 0을 생략하고 오프셋(offset) (또는 시작점) 값으로 정의하는 방안이 마련되어 있다. 그러나, 버퍼된 프레임이 존재하는 STA들의 개수는 적지만 각각의 STA의 AID 값이 차이가 큰 경우에는 압축 효율이 높지 못하다. 예를 들어 AID가 10와 2000의 값을 가지는 단 두 개의 STA에게 전송할 프레임만이 버퍼되어 있는 경우에, 압축된 비트맵의 길이는 1990이지만 양 끝을 제외하고는 모두 0의 값을 가지게 된다. 하나의 AP에 연관될 수 있는 STA의 개수가 적은 경우에는 비트맵 압축의 비효율성이 크게 문제되지 않지만, STA의 개수가 증가하는 경우에는 이러한 비효율성이 전체 시스템 성능을 저해하는 요소가 될 수도 있다.
이를 해결하기 위한 방안으로서, AID를 여러 그룹으로 나누어 보다 효과적인 데이터의 전송을 수행하도록 할 수 있다. 각 그룹에는 지정된 그룹 ID(GID)가 할당된다. 이러한 그룹 기반으로 할당되는 AID에 대해서 도 13을 참조하여 설명한다.
도 13(a)는 그룹 기반으로 할당된 AID의 일례를 나타내는 도면이다. 도 13(a)의 예시에서는 AID 비트맵의 앞의 몇 비트들을 GID를 나타내기 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, AID 비트맵의 처음 2 비트를 사용하여 4개의 GID를 나타낼 수 있다. AID 비트맵의 전체 길이가 N 비트인 경우에, 처음 2 비트(B1 및 B2)이 값은 해당 AID의 GID를 나타낸다.
도 13(a)는 그룹 기반으로 할당된 AID의 다른 일례를 나타내는 도면이다. 도 13(b)의 예시에서는 AID의 위치에 따라서 GID가 할당될 수 있다. 이 때, 동일한 GID를 사용하는 AID들은 오프셋(offset) 및 길이(length) 값으로 표현될 수 있다. 예를 들어, GID 1이 오프셋 A 및 길이 B로 표현되면, 비트맵 상에서 A 내지 A+B-1의 AID들이 GID 1을 가진다는 것을 의미한다. 예를 들어, 도 13(b)의 예시에서, 전체 1 내지 N4의 AID가 4개의 그룹으로 분할된다고 가정한다. 이 경우, GID 1에 속하는 AID들은 1 내지 N1이며, 이 그룹에 속하는 AID들은 오프셋 1 및 길이 N1로 표현될 수 있다. 다음으로, GID 2에 속하는 AID들은 오프셋 N1+1 및 길이 N2-N1+1으로 표현될 수 있고, GID 3에 속하는 AID들은 오프셋 N2+1 및 길이 N3-N2+1으로 표현될 수 있으며, GID 4에 속하는 AID들은 오프셋 N3+1 및 길이 N4-N3+1으로 표현될 수 있다.
이와 같은 그룹 기반으로 할당되는 AID가 도입되면, GID에 따라 다른 시간 구간에 채널 액세스를 허용할 수 있도록 함으로써, 많은 수의 STA에 대한 TIM 요소 부족 문제를 해결함과 동시에 효율적인 데이터의 송수신이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 특정 시간 구간 동안에는 특정 그룹에 해당하는 STA(들)에게만 채널 액세스가 허용되고, 나머지 다른 STA(들)에게는 채널 액세스가 제한(restrict)될 수 있다. 이와 같이 특정 STA(들)에게만 액세스가 허용되는 소정의 시간 구간을, 제한된 액세스 윈도우(Restricted Access Window; RAW)라고 칭할 수도 있다.
GID에 따른 채널 액세스에 대해서 도 13(c)를 참조하여 설명한다. 도 13(c)에서는 AID가 3개의 그룹으로 나누어져 있는 경우, 비콘 인터벌에 따른 채널 액세스 메커니즘을 예시적으로 나타낸다. 첫 번째 비콘 인터벌(또는 첫 번째 RAW)은 GID 1에 속하는 AID에 해당하는 STA의 채널 액세스가 허용되는 구간이고, 다른 GID에 속하는 STA들의 채널 액세스는 허용되지 않는다. 이를 구현하기 위해서, 첫 번째 비콘에는 GID 1에 해당하는 AID들만을 위한 TIM 요소가 포함된다. 두 번째 비콘 프레임에는 GID 2를 가지는 AID들만을 위한 TIM 요소가 포함되며, 이에 따라 두 번째 비콘 인터벌(또는 두 번째 RAW) 동안에는 GID 2에 속하는 AID에 해당하는 STA의 채널 액세스 만이 허용된다. 세 번째 비콘 프레임에는 GID 3을 가지는 AID들만을 위한 TIM 요소가 포함되며, 이에 따라 세 번째 비콘 인터벌(또는 세 번째 RAW) 동안에는 GID 3에 속하는 AID에 해당하는 STA의 채널 액세스 만이 허용된다. 네 번째 비콘 프레임에는 다시 GID 1을 가지는 AID들만을 위한 TIM 요소가 포함되며, 이에 따라 네 번째 비콘 인터벌(또는 네 번째 RAW) 동안에는 GID 1에 속하는 AID에 해당하는 STA의 채널 액세스 만이 허용된다. 그 다음으로, 다섯 번째 이후의 비콘 인터벌들(또는 다섯 번째 이후의 RAW들)의 각각에서도, 해당 비콘 프레임에 포함된 TIM에서 지시되는 특정 그룹에 속한 STA의 채널 액세스만이 허용될 수 있다.
도 13(c)에서는 비콘 인터벌에 따라 허용되는 GID의 순서가 순환적 또는 주기적인 예시를 나타내지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, TIM 요소에 특정 GID(들)에 속하는 AID(들)만을 포함시킴으로써, 특정 시간 구간(예를 들어, 특정 RAW) 동안에 상기 특정 AID(들)에 해당하는 STA(들)만의 채널 액세스를 허용하고 나머지 STA(들)의 채널 액세스는 허용하지 않는 방식으로 동작할 수 있다.
전술한 바와 같은 그룹 기반 AID 할당 방식은, TIM의 계층적(hierarchical) 구조라고도 칭할 수 있다. 즉, 전체 AID 공간을 복수개의 블록들로 분할하고, 0이 아닌 값을 가지는 특정 블록에 해당하는 STA(들) (즉, 특정 그룹의 STA)의 채널 액세스만이 허용되도록 할 수 있다. 이에 따라, 큰 크기의 TIM을 작은 블록/그룹으로 분할하여 STA이 TIM 정보를 유지하기 쉽게 하고, STA의 클래스, 서비스품질(QoS), 또는 용도에 따라 블록/그룹을 관리하기가 용이하게 된다. 상기 도 13의 예시에서는 2-레벨의 계층을 나타내지만, 2 이상의 레벨의 형태로 계층적 구조의 TIM이 구성될 수도 있다. 예를 들어, 전체 AID 공간을 복수개의 페이지(page) 그룹으로 분할하고, 각각의 페이지 그룹을 복수개의 블록으로 구분하고, 각각의 블록을 복수개의 서브-블록으로 분할할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 도 13(a)의 예시의 확장으로서, AID 비트맵에서 처음 N1개의 비트는 페이지 ID(즉, PID)를 나타내고, 그 다음 N2개의 비트는 블록 ID를 나타내고, 그 다음 N3개의 비트는 서브-블록 ID를 나타내고, 나머지 비트들이 서브-블록 내의 STA 비트 위치를 나타내는 방식으로 구성될 수도 있다.
이하에서 설명하는 본 발명의 예시들에 있어서, STA들(또는 각각의 STA에 할당된 AID들)을 소정의 계층적인 그룹 단위로 분할하고 관리하는 다양한 방식들이 적용될 수 있으며, 그룹 기반 AID 할당 방식이 상기 예시들로 제한되는 것은 아니다.
2.6 개선된 채널 액세스 방안
그룹 기반으로 AID가 할당/관리되는 경우, 특정 그룹에 속한 STA들은 해당 그룹에게 할당된 "그룹 채널 액세스 인터벌" (또는 RAW)에서만 채널을 사용할 수 있다. 만약 STA이 M2M 애플리케이션을 지원하는 경우에, 해당 STA에 대한 트래픽은 긴 주기(예를 들어, 몇 십분 또는 몇 시간)에 따라 발생하는 특성을 가질 수 있다. 이러한 STA은 어웨이크 상태를 자주 유지할 필요가 없기 때문에, 긴 시간 동안 슬립 모드로 동작하고 가끔씩 어웨이크 상태로 전환되는 것(즉, 해당 STA의 웨이크업 인터벌이 길게 설정되는 것)이 바람직하다. 이와 같이 긴 주기의 웨이크업 인터벌을 가지는 STA을 "long-sleeper" 또는 "긴-슬립" 모드로 동작하는 STA이라고 칭할 수도 있다. 다만, 웨이크업 주기가 길게 설정되는 원인은 반드시 M2M 통신을 위한 것으로 제한되지는 않고, 일반적인 무선랜 동작에 있어서도 STA의 상태나 주변 상황 등에 따라서 웨이크업 인터벌이 길게 설정될 수도 있다.
웨이크업 인터벌이 설정되면, STA은 자신의 로컬 클럭에 기초하여 상기 웨이크업 인터벌이 도과되는지 여부를 결정할 수 있다. 그러나, STA의 로컬 클럭은 저가의 오실레이터를 사용하는 경우가 일반적이므로 오차가 발생할 확률이 높고, 더군다나 STA이 긴-슬립 모드로 동작한다면 그 오차가 시간이 지남에 따라 더욱 커질 수 있다. 따라서, 가끔씩 깨어나는 STA의 시간 동기는 AP의 시간 동기와 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어, STA은 자신이 비콘을 수신할 수 있는 타이밍인 것으로 계산하여 어웨이크 상태로 전환하지만, 해당 타이밍에서는 실제로 AP가 전송하는 비콘을 수신하지 못할 수도 있다. 즉, 클럭 드리프트(clock drift)로 인하여 STA은 비콘 프레임을 놓칠(miss) 수도 있으며, 긴-슬립 모드로 동작하는 경우에는 이러한 문제가 많이 발생할 수 있다.
도 14 내지 도 16은 그룹 채널 액세스 인터벌이 설정되는 경우의 STA의 동작의 예시들을 나타내는 도면이다.
도 14의 예시에서 STA3은 그룹 3(즉, GID=3)에 속한 STA인데, 그룹 1(즉, GID=1)에 할당된 채널 액세스 인터벌에서 깨어나서, AP에게 프레임 전송을 요청하는 PS-Poll을 수행할 수 있다. STA으로부터 PS-Poll을 수신한 AP는 STA3에게 ACK 프레임을 전송하는데, AP가 STA3에게 전송할 버퍼된 데이터가 있다면 상기 ACK 프레임을 통해서 이를 지시하는 정보(즉, 전송될 데이터가 존재한다는 정보)를 제공할 수 있다. 예를 들어, ACK 프레임에 포함되는 1 비트 크기의 "More Data" 필드(또는 MD 필드)의 값을 1로 설정(즉, MD=1)함으로써 상기 정보를 지시할 수 있다.
여기서, STA3가 PS-Poll을 전송한 시점은 그룹 1에 대한 채널 액세스 인터벌에 속하므로, AP는 STA3에게 전송할 데이터가 있더라도 상기 ACK 프레임 전송 후에 바로 데이터를 전송하는 것이 아니라, STA3가 속한 그룹 3에게 할당된 채널 액세스 인터벌(도 14의 GID 3 channel access)에서 STA3으로의 데이터를 전송한다.
STA3의 입장에서는 AP로부터 MD=1로 설정된 ACK 프레임을 수신하였기 때문에, AP로부터 데이터가 전송되기를 계속하여 대기하게 된다. 즉, 도 14의 예시에서는 STA3은 깨어난 직후에 비콘을 수신하지 못하였기 때문에, 자신의 로컬 클럭에 기반한 계산에 따라서 자신이 깨어난 시점이 자신이 속한 그룹에게 할당된 채널 액세스 인터벌일 수도 있고 자신에게 전송될 데이터가 있을 수도 있다는 가정하에, AP에게 PS-Poll을 보낸다. 또는, 자신이 긴-슬립 모드로 동작하기 때문에 시간 동기화가 맞지 않을 수도 있다고 가정하고, 혹시 자신에게 전송될 데이터가 있다면 수신하기 위해서 STA3은 AP에게 PS-Poll을 보낼 수도 있다. STA3가 AP로부터 수신한 ACK 프레임이 STA3에게 전송될 데이터가 있음을 지시(indicate)하므로, STA3는 자신의 채널 액세스가 허용된 인터벌이라는 가정 하에서 계속하여 데이터 수신을 대기하게 되는 것이다. STA3는 다음 비콘에 포함된 정보로부터 시간 동기화를 올바르게 수행하기 전까지는, 데이터 수신이 허용되지 않는데도 불필요하게 전력을 소모하게 된다.
특히, STA3가 긴-슬립 모드로 동작하는 경우에는 비콘을 자주 수신하지 못하기 때문에, 자신이 속한 채널 액세스 인터벌이 아닌 경우에도 CCA 수행하는 등 불필요한 전력 소모가 발생할 수 있다.
다음으로, 도 15의 예시에서는 GID 1을 가지는 (즉, 그룹 1에 속한) STA이 깨어난 타이밍에서 비콘 프레임을 놓치는 경우를 나타낸다. 즉, 자신에게 할당된 GID(또는 PID)가 포함된 비콘을 수신하지 못한 STA은, 자신의 GID(또는 PID)가 포함된 비콘을 수신할 때까지 계속하여 어웨이크 상태에서 대기하게 된다. 즉, 비록 STA이 깨어난 시점이 자신에게 할당된 채널 액세스 인터벌이라고 하더라도, STA은 비콘을 통해 전송되는 TIM에 자신의 GID(또는 PID)가 포함되어 있는지를 확인하지 못하였으므로, 해당 타이밍이 자신의 그룹에 할당된 채널 액세스 인터벌인지를 알 수 없다.
이와 같이, 도 15의 예시에서 슬립 상태에서 어웨이크 상태로 전환된 STA은 첫 번째 비콘을 놓친 후에 자신의 GID(즉, GID 1)를 포함하는 네 번째 비콘을 수신할 때까지 계속하여 어웨이크 상태에 있으므로 불필요한 전력을 소모하게 된다. 결국 불필요한 전력을 소모한 후에야, STA은 GID 1을 포함하는 비콘을 수신할 수 있고 이에 따라 RTS 전송, CTS 수신, 데이터 프레임 전송, ACK 수신을 수행할 수 있다.
도 16에서는 STA이 다른 그룹에 대한 채널 액세스 인터벌에 깨어난 경우를 나타낸다. 예를 들어, GID 3을 가지는 STA이 GID 1에 대한 채널 액세스 인터벌에 깨어날 수 있다. 즉, GID 3을 가지는 STA은 깨어난 후에 자신의 GID에 해당하는 비콘을 수신하기까지 불필요하게 전력을 소모하게 된다. 세 번째 비콘에서 GID 3을 지시하는 TIM을 수신하게 되면, 자신의 그룹에 대한 채널 액세스 인터벌임을 인지하고 RTS, CTS 등을 통한 CCA 후에 데이터 전송 및 ACK 수신 등의 동작을 수행할 수 있다.
3. 제안하는 파일럿 시퀀스 송신 및 수신 방법
차세대 WiFi에 대한 다양한 관심과 802.11ac 이후의 수율 및 QoE(quality of experience) 성능 향상에 대한 요구가 높아지는 환경에서, 차세대 WLAN 시스템을 위한 새로운 프레임 포맷(frame format)을 정의할 필요가 있다. 특히, 새로운 프레임 포맷에서 가장 중요한 역할을 하는 부분은 프리엠블 부분(preamble part)인데, 동기화, 채널 트래킹, 채널 추정, AGC(Adaptive Gain Control) 등의 역할을 하는 프리엠블의 설계는 전체 시스템 성능에 직접적이고 큰 영향을 미칠 수 있어 더욱 중요하다.
많은 수의 AP와 STA가 동시 접속하여 데이터 송수신을 시도하는 차세대 WiFi 시스템에서, 종래의 프리엠블 설계 방식으로는 시스템 성능에 한계가 있을 수 있다. 즉, 각각의 프리엠블 블록(예를 들어, AGC, CFO 추정/보상, 타이밍 조절 등의 역할을 담당하는 STF(Short Training Field) 또는 채널 추정/보상, 레지듀얼(residual) CFO 보상 등의 역할을 담당하는 LTE(Long Training Field))이 종래의 프리엠블 구조에 정의된 각각의 역할만을 수행한다면, 프레임 길이가 늘어나 오버헤드에 대한 부담이 생길 수 있다. 따라서, 특정 프리엠블 블록이 정해진 역할 이외에도 다양한 기능(functionality)들을 지원할 수 있다면, 효율적인 프레임 구조를 설계할 수 있게 된다.
또한, 차세대 WiFi 시스템은 실내뿐 아니라 실외 환경에서도 데이터 전송을 고려하고 있어, 환경에 따라 프리엠블의 구조가 다르게 설계될 필요가 있을 수도 있다. 물론, 환경 변화에 독립적인 단일화된(unified) 프리엠블 포맷을 설계하는 것이 시스템 구현 및 운영측면에서 도움을 줄 수도 있지만, 시스템 환경에 맞추어 적응적으로 설계되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 상술한 바와 같이 다양한 기능들을 효율적으로 지원하기 위한 프리엠블 설계에 대해 제안한다. 편의상 새로운 WLAN 시스템을 HE(High Efficiency) 시스템 또는 HEW(High Efficiency WLAN) 시스템이라 명명하며, HE 시스템의 프레임 및 PPDU(PLCP(Physical Layer Convergence Procedure) Protocol Data Unit)를 각각 HE 프레임 및 HE PPDU라 명명한다. 그러나, 제안하는 프리엠블이 HE 시스템뿐 아니라 다른 WLAN 시스템 및 셀룰라 시스템에도 적용될 수 있음은 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 자명하다.
아래의 표 1은, 이하에서 제안하는 파일럿 시퀀스 전송 방법의 전제가 되는 OFDM 뉴머롤로지(numerology)를 나타낸다. 표 1은 HE 시스템에서 제안하는 새로운 OFDM 뉴머롤로지의 한 예시로, 기재된 수치와 항목은 단순한 예시에 불과하여 다른 값이 적용될 수도 있다. 표 1은 주어진 BW에 종래보다 4배 큰 FFT를 적용하는 예를 기준으로 설명하며, 각 BW 별로 3 개의 DC를 사용함을 가정한다.
Parameter CBW20 CBW40 CBW80 CBW80+80 CBW160 Description
NFFT 256 512 1024 1024 2048 FFT size
NSD 238 492 1002 1002 2004 Number of complex data numbers per frequency segment
NSP 4 6 8 8 16 Number of pilot values per frequency segment
NST 242 498 1010 1010 2020 Total number of subcarriers per frequency segment. See NOTE.
NSR 122 250 506 506 1018 Highest data subcarrier index per frequency segment
NSeg 1 1 1 2 1 Number of frequency segments
ΔF 312.5kHz Subcarrier frequency Spacing for non-HE portion
ΔF_HE 78.125 kHz Subcarrier frequency Spacing for HE portion
TDFT 3.2 μs IDFT/DFT period for non-HE portion
TDFT_HE 12.8 μs IDFT/DFT period for HE portion
TGI 0.8 μs = TDFT /4 Guard interval duration for non-HE portion
TGI_HE 3.2 μs = TDFT_HE /4 Guard interval duration for HE portion
TGI2 1.6 μs Double guard interval for non-HE portion
TGIS_HE 0.8 μs = TDFT_HE /16 [Alternative: 0.4μs (1/32 CP)] Short guard intervalDuration (used only for HE data)
TSYML 4 μs = TDFT + TGI Long GI symbol interval for non-HE portion
TSYML_HE 16 μs = TDFT_HE + TGI_HE Long GI symbol interval for HE portion
TSYMS_HE 13.6 μs = TDFT_HE + TGIS_HE [Alternative: 13.2μs (with 1/32 CP)] Short GI symbol interval (used only for HE data)
TSYM TSYML or TSYMS depending on the GI used Symbol interval for non-HE portion
TSYM_HE TSYML_HE or TSYMS_HE depending on the GI used Symbol interval for HE portion
TL-STF 8 μs = 10 * TDFT /4 Non-HE Short Training field duration
TL-LTF 8 μs = 2 x TDFT + TGI2 Non-HE Long Training field duration
TL-SIG 4 μs = TSYML Non-HE SIGNAL field duration
THE-SIGA 12.8 μs = 2(TSYML + 3TGI) in HE- PPDU format-1 or TSYML_HE in HE- PPDU format-2 and HE-PPDU format-3 HE Signal A field duration
THE-STF TSYML_HE HE Short Training field duration
THE-LTF TSYML_HE Duration of each HE LTF symbol
THE-SIGB TSYML_HE HE Signal B field duration
Nservice 16 Number of bits in the SERVICE field
Ntail 6 Number of tail bits per BCC encoder
NOTE: NST = NSD + NSP
도 17은 본 발명의 실시 예와 관련된 프레임 구조를 도시하는 도면이다. 도 17(a), 도 17(b), 도 17(c)에 도시된 예시들과 같이 프레임 구조는 여러 가지의 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 제안하는 파일럿 시퀀스 전송 방법은 프레임 구조 중의 프리엠블 중에서도 HE-STF (High Efficiency Short Training Field)부분과 중점적으로 관련된다.
도 18은 본 발명의 실시 예와 관련된 파일럿 시퀀스를 도시하는 도면이다. 도 17에서 설명한 HE-STF는 프리엠블의 일부로서, 채널 추정, CFO(Carrier Frequency Offset) 추정, 심볼 타이밍 추정 등을 위한 파일럿 신호들이 전송된다. 순차적으로 전송되는 복수의 파일럿 신호들을 파일럿 시퀀스라 하며, 도 18은 일반적인 HE-STF의 파일럿 시퀀스 설계를 도시한다. 도 18에서 위쪽의 그래프는 주파수축 상의 파일럿 시퀀스를, 아래쪽 그래프는 시간축 상의 파일럿 시퀀스를 각각 도시한다.
먼저, 주파수축 상의 파일럿 시퀀스는 가드 인터벌(guard interval), 파일럿 거리(pilot distance), 파일럿 신호의 크기에 의해 정의된다. 도 18에 도시된 예에서, 주파수축 상의 파일럿 시퀀스 중 작은 화살표는 크기 0 의 파일럿 시퀀스를 나타내며, 모든 인접 파일럿 신호들의 간격은 2(즉, 파일럿 거리=2)가 된다. 이때, 가드 인터벌이 파일럿 거리의 배수(2의 배수)가 되는 경우, 주파수축 상의 파일럿 신호들을 시간 도메인으로 변환하면 시간축 상의 파일럿 신호들은 도 18의 아래쪽에 도시된 바와 같이 반복되는 패턴을 갖는다. 첫번째 주기의 신호들을 1차 신호, 두번째 주기의 신호들을 2차 신호라 하는 경우, 1차 신호와 2차 신호는 동일한 패턴을 갖는다.
만약 주파수축 상의 파일럿 신호들의 파일럿 거리가 4이고 가드 인터벌이 4의 배수가 되는 경우, 시간축 상의 파일럿 신호들은 4 개의 반복되는 패턴으로 정의되며, 1/2/3/4 차 신호들은 모두 동일한 패턴을 갖게 된다. 이와 같이, 시간축에서 반복되는 패턴의 신호가 정의되는 것은 채널 정보 없이도 정밀한 심볼 타이밍과 CFO의 추정을 가능하게 한다는 관점에서 의미가 있다.
도 19는 파일럿 시퀀스의 원형 시프팅을 도시하는 도면이다. 도 19는 도 18에서 설명한 시간축 상의 1차 신호들 및 1차 신호들을 시프팅(shifting)한 신호들을 도시한다. 이와 같이 특정 파일럿 시퀀스가 시프트되며 생성된 복수의 파일럿 시퀀스들을 시퀀스 셋(sequence set)이라 하며, 송신기는 시퀀스 셋 중에서 임의의 파일럿 시퀀스를 선택하여 수신기로 전송하게 된다. 한편, 파일럿 신호의 시간축 상에서의 시프팅은 파일럿 신호의 위상을 변경하는 과정으로 이해될 수 있으며, 주파수축 상에서의 시프팅은 원형 시프팅(cyclic shifting)으로 이해될 수 있다.
도 19에서, 송신기는 시프팅을 통해 생성된 4개의 파일럿 시퀀스(시프팅=0, 1, 2, 3)로 구성되는 시퀀스 셋중에서 하나의 파일럿 시퀀스(또는, 단순히 시퀀스)를 선택하여 수신기로 전송한다. 수신기는 수신된 파일럿 시퀀스를 식별함으로써 4 개의 서로 다른 파일럿 시퀀스 중 어떠한 파일럿 시퀀스가 수신되었는지 구분해낼 수 있다. 이러한 과정은 수신기가 수신한 신호에 대해 코릴레이션(correlation)을 계산하는 과정을 통해 수행될 수 있으며, 수신기는 기저장된 파일럿 시퀀스들과 수신된 신호와의 코릴레이션 결과를 비교함으로써 시퀀스 셋 중 어떠한 파일럿 시퀀스가 수신되었는지 파악할 수 있다.
이와 같이 수신기가 4 개의 파일럿 시퀀스를 구분할 수 있게 됨에 따라, 송신기는 수신기에게 2bit에 해당하는 추가 정보의 전송이 가능하게 된다. 즉, 송신기와 수신기 사이에서 시프팅=0인 파일럿 시퀀스를 전송하는 경우와 시프팅=1인 파일럿 시퀀스를 전송하는 경우가 서로 다른 정보를 나타내도록 약속되는 경우, 수신기는 시퀀스 셋 중에서 수신되는 파일럿 시퀀스가 어떠한 것인지에 따라 2bit의 추가 정보를 획득할 수 있다. 이러한 추가적인 정보를 ‘시그니쳐(signature)’라 명명한다.
도 19에서, 총 4 개의 서로 다른 파일럿 시퀀스들이 수신기에 전송될 수 있으며, 수신기는 4 개의 파일럿 시퀀스들을 구분해낼 수 있다. 시퀀스 셋 중에서 어떠한 파일럿 시퀀스가 전송되었는지가 곧 4 가지의 서로 다른 정보에 각각 대응되며, 이에 따라 수신기는 2bit에 해당하는 추가 정보(즉, 시그니쳐)를 획득할 수 있다. 즉, 시프팅=0인 파일럿 시퀀스가 수신된 경우 수신기는 2비트의 ‘00’에 해당하는 정보가 수신된 것으로 인지할 수 있고, 시프팅=1인 경우에는 ‘01’, 시프팅=2인 경우에는 ‘10’, 시프팅=3인 경우에는 ‘11’에 해당하는 정보가 각각 수신된 것으로 인지할 수 있다.
도 20은 파일럿 시퀀스 식별을 위한 수신기의 구조를 도시하는 도면이고, 도 21은 수신기가 수신한 시퀀스 셋의 수신 신호를 설명하는 도면이다. 이하에서 도 20과 도 21을 함께 설명한다.
먼저, 수신된 파일럿 시퀀스를 식별하기 위한 수신기의 구조는 도 20과 같이 구현될 수 있다. 도 20에서, N은 1차 신호의 길이, r은 시간 축에서의 수신 벡터,
Figure PCTKR2015008659-appb-I000001
는 i번째 시프팅된 파일럿 시퀀스의 벡터, 그리고
Figure PCTKR2015008659-appb-I000002
로 정의된다.
먼저 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널과 잡음이 없는 환경을 가정한다. 그리고, 송신기가 도 19에 정의 된 파일럿 시퀀스 중 첫 번째 시퀀스를 전송하는 경우, 수신기는 도 21에서와 같이 {y0, y1, y2, y3}을 산출한다. 그리고, 수신기는 {y0, y1, y2, y3}중 가장 큰 크기를 갖는 yi을 찾음으로써, 송신기가 전송한 시퀀스가 시퀀스 셋 중 어떠한 시퀀스에 해당하는지 확인할 수 있다.
도 22는 소정 간격을 두고 생성된 파일럿 시퀀스들로 구성되는 시퀀스 셋을 설명하는 도면이다.
한편, 이상에서 설명한 송신기 및 수신기의 통신 방법은 멀티 패스(multi path) 환경에서 성능이 열화된다는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위하여, 도 22와 같이 시퀀스 셋의 파일럿 시퀀스들이 소정 간격을 두고 생성되어 활용된다.
도 19와 비교했을 때, 도 22의 파일럿 시퀀스들은 시프팅 간격을 4로 하여 생성된다. 이러한 시프팅 간격은 채널 유효 지연 구간인 L에 의해 결정된다. 수신기 잡음이 없는 환경에서 송신기가 시프팅=0인 시퀀스를 전송하면, 도 20 구조의 수신기는 수신 신호 yi를 도 23과 같이 계산할 수 있다.
도 23은 도 22에서 설명한 시퀀스 셋의 수신 신호를 설명하는 도면이다. 도 23에서, 제로 코릴레이션 영역(Zero Correlation Zone, ZCZ)의 크기 W는 시퀀스의 최대 시프팅 값인 L로 결정된다(W=L). 먼저, 수신기는 각 ZCZ에서 가장 큰 yi를 선택하고, 각 ZCZ에서 선택된 yi들을 비교하여 가장 큰 값을 갖는 ZCZ를 선택한다. 도 23에 도시된 바와 같이 첫 번째 ZCZ에는 다른 ZCZ들보다 크기가 큰 {y0, y1, y2, y3}가 존재하며, 이는 전송 신호들이 멀티 패스를 거쳐 수신되어 발생하는 지연 분산(delay spread)의 영향으로 인한 것이다. 수신기는 ZCZ의 크기를 채널 유효 지연 구간보다 크게 설정함으로써, 송신기가 보낸 시퀀스를 오류 없이 식별해낼 수 있게 된다.
도 22의 시퀀스 셋과는 달리, 도 19의 시퀀스 셋이 이용되는 경우, ZCZ의 크기가 1이다(W=1). 이러한 경우, 수신 신호를 처리한 모든 결과들 {y0, y1, …, yN-1}을 비교하여 시퀀스를 식별해야만 한다. 이는, 각각의 y0, y1, …, yN-1이 각각의 ZCZ를 대표하는 값이 되기 때문이다. 만약 송신기가 시프팅=0인 시퀀스를 전송하면, {y1, y2, y3} 중 한 값이 y0 보다 큰 값을 가질 수 있으므로, 수신기 식별 성능은 급격하게 감소하게 된다.
한편, 시퀀스의 간격이 작을수록 더 많은 시그니쳐의 생성이 가능하다. 예를 들어, 도 22에서 시퀀스 간격을 1로 설정한다면 총 16개의 시그니쳐가 정의될 수 있다. 즉, 시퀀스 셋을 구성하는 파일럿 시퀀스 간의 간격이 좁을수록 더 많은 시그니쳐를 정의하여 더 많은 정보가 전송될 수 있지만, 반대로 수신기의 식별 성능이 열화되는 트레이드 오프가 존재한다.
도 24는 타이밍 오프셋(timing offset)을 설명하는 도면이다. 도 24는 하나의 OFDM 심볼이 2개의 멀티 패스를 거쳐 수신되는 과정을 도시한다. 도 24에서 두 번째 경로를 통해 수신되는 신호는 첫 번째 경로보다 지연되어 수신됨을 확인할 수 있다. 수신기는 일반적으로 OFDM 심볼의 시작점을 첫 번째 경로의 GI(Guard Interval) 시작점과 두 번째 경로의 GI 끝점 사이로 추정하게 된다. 그리고, 추정된 시작점을 ESP(Estimated Starting Point)라 할 때, 타이밍 오프셋 NTO는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다. 즉, 타이밍 오프셋은 ESP와 첫 번째 심볼의 시작점(SP, Starting Point)의 차로 표현된다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2015008659-appb-I000003
만약 수신기가 ESP를 ISI (Inter Symbol Interference) free 구간 내에서 결정하면, 심볼간 간섭(ISI)을 피할 수 있게 된다. 즉, OFDM 심볼 내에서 서브캐리어 간의 직교성이 유지될 수 있다.
도 25는 타이밍 오프셋을 고려하여 수신 신호를 설명하는 도면이다. 이상에서 설명한 타이밍 오프셋은 수신기의 시그니쳐 식별 성능에 영향을 미친다. 예를 들어, 타이밍 오프셋 NTO=4인 경우, 도 23은 아래의 도 25와 같이 변경된다.
도 23과 달리, 도 25에서는 모든 yi 값이 4만큼 시프팅 되었음을 확인할 수 있다. 만약 수신기가 타이밍 오프셋을 알고 있다면, 도 25에서 윈도우를 타이밍 오프셋만큼 시프팅시켜 수신한 시퀀스를 정확히 식별할 수 있다. 반대로, 수신기가 타이밍 오프셋을 모른다면, 수신기는 수신된 신호의 시프팅 값을 오인하게 되어 잘못된 시퀀스가 수신된 것으로 해석하게 된다.
도 26은 타이밍 오프셋을 고려하여 ZCZ(Zero Correlation Zone)의 크기를 조절하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 26에서는 상술한 문제점을 해결하기 위한 방안이 제시된다.
도 26에서, 최대 발생 가능한 타이밍 오프셋을 NTO라 정의한다. 그리고, 시퀀스 셋을 생성하는 과정에서 시퀀스들 간의 시프팅 최소 값을 L+NTO로 정의한다. 마지막으로, 수신기는 도 26과 같이 ZCZ 의 크기를 채널 유효 지연 구간과 TO를 합친 L+NTO로 정의한다. 도 25와 달리, 도 26에서는 윈도우의 크기가 충분히 커서, 타이밍 오프셋으로 인한 에러가 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 반면에, 윈도우의 크기가 커져서 송신기와 수신기 간에 식별 가능한 시그니쳐의 수가 4개에서 2개로 감소하는 트레이드 오프가 발생한다.
도 27은 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 시퀀스를 이용한 파일럿 시퀀스를 설명하는 도면이다.
도 27은 길이가 Ns인 추 시퀀스(Chu sequence)를 주파수축에서 파일럿 신호로써 이용하는 실시 예를 도시한다. 도 27에서, OFDM 심볼의 길이가 No가
Figure PCTKR2015008659-appb-I000004
(
Figure PCTKR2015008659-appb-I000005
는 0보다 큰 양수)를 만족한다고 가정한다. 이때, 시간축에서 1차 신호와 2차 신호는 CAZAC 시퀀스의 특징을 갖는다.
먼저, 시간축의 파일럿 시퀀스들은 모두 동일한 크기를 가지게 된다(Constant Amplitude). 또한, 시퀀스들 간의 auto correlation이 자기 자신을 제외하고는 0으로 나타나게 된다(zero auto correlation). 즉, 시간축 상의 1차 신호들과 2차 신호들은 CAZAC 특성을 갖게 된다.
이와 같이 시간축에서 CAZAC 시퀀스를 사용하게 되면 여러 가지 장점을 얻을 수 있다. 먼저, 모든 파일럿 시퀀스들의 크기가 1이게 되어, PAPR(Peak to Average Power Ratio)이 1이 된다. PAPR은 최대 전력과 평균 전력의 비율로 정의되며, 최소 값은 1이다. 최대 전력은 시간축 요소들이 갖는 전력 중 가장 큰 전력을 의미하며, 평균 전력은 시간축 요소들의 평균 전력을 의미한다.
송신기가 OFDM 심볼을 증폭할 때, 증폭 가능한 최대치는 전송되는 시간축 요소들의 크기 중 최대 값에 의해 결정된다. 이는, OFDM 심볼이 증폭기에 의해 증폭될 때, OFDM 심볼들의 모든 시간 요소가 최대 출력을 초과하면 안되기 때문이다. 따라서, 모든 심볼들의 크기가 1이라면, 각 시퀀스들은 증폭기의 최대 출력만큼 증폭되어 전송될 수 있다. 즉, OFDM 심볼이 증폭기의 최대 출력으로 증폭되어 송신될 수 있어, SNR이 증대된다.
다음으로, 시간축에서 ZAC을 만족하는 시퀀스가 사용되는 경우, 도 23에서 y0를 제외한 y1, y2, y3은 모두 0이 된다. 이러한 특성으로 인해 수신기의 식별 성능이 향상될 수 있다. 만약 ZAC 특성을 갖지 않는 시퀀스가 사용된다면, y1, y2, y3이 모두 0이 아니게 되어, 수신기의 식별 성능이 감소하게 된다. 다시 말해서, 시퀀스 간에 상관관계가 있는 경우, 수신기의 식별 성능이 감소한다.
이하에서는 도 28 내지 도 32를 통해 제안하는 파일럿 시퀀스 전송 방법에 대해 설명한다.
먼저, 송신기는 베이스라인(baseline) 시퀀스를 생성한 뒤, 베이스라인 시퀀스를 시간축에서 시프팅시켜 복수의 파일럿 시퀀스를 생성한다. 생성된 복수의 파일럿 시퀀스는 시퀀스 셋을 구성하며, 상술한 바와 같이 시퀀스 셋 내의 복수의 파일럿 시퀀스는 각각 서로 다른 추가적인 정보(즉, 시그니쳐)에 매핑된다.
한편, 앞서 CAZAC 시퀀스에 대해 설명하였으나, 실제로 구현되는 시스템에서는 도 18과 유사하게, 주파수축 상의 파일럿 신호 앞에 가드 인터벌(또는 가드 밴드(guard band))이 존재한다. 따라서, 파일럿 시퀀스가 도 27에서와 같은 CAZAC 특성을 갖지 못하게 되며,
Figure PCTKR2015008659-appb-I000006
가 된다. 일 예로, 도 28은 No=256, Ns=122일 때 1차 신호의 크기 및 auto correlation을 나타낸다. 도 28에서는 각 샘플들의 크기가 모두 다르며(Non-constant amplitude), 0이 아닌 시프팅 값에서 auto correlation의 크기가 0이 아님(Non-zero auto correlation)을 확인할 수 있다. 이하에서는 이러한 특성을 갖는 시퀀스를 Non-CAZAC 시퀀스라 한다.
Non-CAZAC 시퀀스는 파일럿 시퀀스들 간의 상관관계가 0이 아니며, 도 21에서 설명한{y1, y2, y3} 은 0보다 큰 값을 갖게 된다. 마찬가지로, 도 29는 Non-CAZAC 시퀀스를 사용하는 경우 모든 yi 가 0이 아닌 값을 가짐을 도시한다. 이는, 송신기가 전송한 파일럿 시퀀스에 대한 ZCZ 이외의 영역에서도 0이 아닌 값이 발생하게 됨을 의미하며, 이에 따라 수신기의 성능은 CAZAC 시퀀스가 이용되는 경우보다 감소하게 된다. 이러한 성능 감소 폭은 수신된 파일럿 시퀀스가 속하지 않는 ZCZ에서 발생한 값 중 가장 큰 값에 의해 결정되며, 예를 들어 도 29에서는 y13이 수신기의 식별 성능을 결정한다.
이러한 점을 고려하여, Non-CAZAC 시퀀스를 기반으로 시퀀스 셋을 디자인하는 과정에서, 송신기는 시퀀스들 간의 상관관계를 고려하여 시퀀스 셋을 구성할 수 있다. 구체적으로, 베이스라인 시퀀스를 시프팅시켜 파일럿 시퀀스들을 생성하는 과정에서, 일 실시 예에 의한 송신기는 파일럿 시퀀스들 간의 상관관계가 최소가 되도록 시프팅 값을 결정한다.
도 30은 시프팅 값의 차이에 따른 시퀀스들 간의 상관관계 변화를 도시한다. 일 예로, 시프팅 값이 0인 경우의 상관관계를 1로 정의한다면, 도 30에서 시프팅 값이 1 또는 21인 경우의 상관관계가 각각 -13dB, -30dB로 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 송신기는 시프팅 값의 차이에 따른 상관관계 변화를 고려하여 시퀀스 셋을 생성할 수 있으며, 이하에서 구체적인 과정을 설명한다.
이하에서
Figure PCTKR2015008659-appb-I000007
는 베이스라인 시퀀스,
Figure PCTKR2015008659-appb-I000008
는 베이스라인 시퀀스를 i만큼 시프팅시킨 파일럿 시퀀스를 나타낸다. 도 30을 고려하여 아래의 수학식 2와 같은 2가지 시퀀스 셋을 고려해볼 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2015008659-appb-I000009
시퀀스 셋 A의 경우, 시퀀스 간의 간격(즉, 시프팅 값)이 1이며 시퀀스 간의 상관관계 차이 중 가장 큰 값은 -13dB로 나타난다. 반면에, 시퀀스 셋 B의 경우, 시퀀스 간의 간격이 21이며 시퀀스 간의 상관관계 차이 중 가장 큰 값은 -29dB로 나타난다. 시퀀스들 간의 상관관계가 낮을수록 CAZAC 특성에 유사하다고 볼 수 있어 수신기의 성능이 증가한다는 점을 고려할 때, 시퀀스 셋 B가 시퀀스 셋 A보다 더 나은 수신기의 식별 성능을 제공한다. 그대신, 시퀀스 셋 A를 이용하는 경우, 시퀀스 셋 B 보다 더 많은 수의 시그니쳐가 정의되어 수신기로 전송될 수 있다.
설명한 바와 같이, 송신기는 파일럿 시퀀스들 간의 상관관계가 최소가 되도록 시프팅 값을 결정하여 시퀀스 셋을 구성할 수 있다. 나아가, 또 다른 실시 예에 의하면, 시퀀스 셋을 생성하는 과정에서 시프팅 값의 최소 크기는 채널 유효 지연 구간 L 및 타이밍 오프셋 NTO를 고려하여 결정될 수 있다.
먼저, 채널 유효 지연 구간 L은 실제 채널의 지연 분산의 길이보다 짧게 정의될 수 있다. 앞서 도 23에서는 지연 분산이 수신기의 성능에 미치는 영향을, 도 25에서는 타이밍 오프셋이 수신기의 성능에 미치는 영향을 각각 도시 및 설명한 바 있다. 또한, 도 29에서는 Non-CAZAC 시퀀스를 사용할 때 시퀀스들 간의 상관관계로 인한 성능 감소를 설명한 바 있다.
따라서, 파일럿 시퀀스들의 시프팅 값을 결정함에 있어서 채널 유효 지연 구간 L과 타이밍 오프셋 NTO에 기초하여 시프팅 값의 최소 크기를 결정하고, 이어서 결정된 최소 크기를 기준으로 시퀀스들 간의 상관관계를 최소화할 수 있는 시프팅 값이 최종적으로 결정될 수 있다.
예를 들면, 송신기는 도 26에서와 같이 시프팅의 최소 크기는 L+NTO로 결정한다. 이어서, 도 30에서 설명한 auto correlation 값을 이용하여, 송신기는 파일럿 시퀀스 간의 상관관계를 최소화할 수 있는 시프팅 값을 결정하게 된다. 이러한 과정을 거쳐 생성된 시퀀스 셋은 수신기로 하여금 지연 분산과 타이밍 오프셋에 강인한 성능을 보장하게 된다. 대신, 트레이드 오프로써 생성된 시퀀스 셋이 정의할 수 있는 시그니쳐의 최대 개수는 수학식 3과 같이 제한된다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2015008659-appb-I000010
만약 수신기가 타이밍 오프셋을 추정할 수 있는 경우를 가정하면, 도 25에서와 같이 수신기는 윈도우를 타이밍 오프셋만큼 시프팅시켜 수신된 파일럿 시퀀스를 정확히 식별해낼 수 있다. 이러한 경우, 송신기는 시퀀스 셋을 생성하는 과정에서 타이밍 오프셋을 고려하지 않아도 되며, 시프팅 값의 최소 길이는 타이밍 오프셋을 고려하지 않은 L만으로 결정될 수도 있다. 이러한 실시 예에서, 정의되는 시그니쳐의 최대 개수는 수학식 4와 같이 나타난다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2015008659-appb-I000011
이하에서는 도 31을 통해 양자화된(quantized) 추 시퀀스(Chu sequence)를 이용한 실시 예에 대해 설명한다.
도 27에서는 파일럿 시퀀스로 추 시퀀스를 이용한 1차 신호, 2차 신호의 생성 과정을 설명한 바 있다. 이때, 추 시퀀스의 각 샘플들의 값은 매우 세분화된 위상차이를 통해 정의되며, 송신기가 추 시퀀스를 지원하기 위해서는 송신기의 하드웨어가 이러한 위상을 구별 및 조절할 수 있어야 한다. 그렇지 못한 경우, EVM(Error Vector Magnitude)의 문제가 발생할 수 있다. EVM 이란, 하드웨어의 불완전성으로 인해 송신기가 원래 송신하고자 하는 성상도(constellation) 상의 지점에서 벗어난 신호를 송신하게 되는 문제점을 말한다. 예를 들어, 도 31에서 송신기는 사각형으로 표시되는 QPSK 방식에 따른 신호를 전송하고자 하였으나, EVM이 발생하는 경우 세모로 표시된 지점에 해당하는 신호를 전송하게 되는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 송신기는 추 시퀀스를 특정 양자화한 후 양자화된 시퀀스를 파일럿 신호로 이용할 수 있다. 이어서, 송신기는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산 과정을 통해 시간축에서 베이스라인 시퀀스를 생성한다. 이와 같이, 송신기는 송신기의 하드웨어가 지원 가능한 위상 조절의 정밀도를 고려하여 베이스라인 시퀀스 및 시퀀스 셋을 생성할 수 있다.
양자화된 추 시퀀스에 기반한 시퀀스 셋은, 추 시퀀스 기반으로 생성한 시퀀스 셋에 비해 PAPR이 증가하게 된다. 아래의 표 2는 No=256, Ns=122일 때 루트 인덱스 및 성상도에 따른 파일럿 시퀀스의 PAPR을 나타낸다.
Root index 1 15
BPSK 4.2039 4.5864
QPSK 2.5323 3.5769
8-PSK 1.9833 2.9272
16-PSK 1.8554 3.545
32-PSK 1.8295 2.8135
Chu 1.7826 2.9513
표 2에서 확인할 수 있듯이, 동일한 루트 인덱스 값이 이용되는 경우 성상도가 커질수록 PAPR이 감소함을 확인할 수 있다. 표 2에서 ‘Chu’는 양자화되지 않은 경우를 나타내며, 8-PSK(Phase Shift Keying)의 경우와 비교하여 0.46dB의 PAPR 이득이 있다. 따라서, 8-PSK를 이용하는 경우에도 양자화된 추 시퀀스를 통해 충분히 낮은 PAPR을 제공할 수 있게 된다.
도 31에서 원으로 표시된 지점은 양자화되기 이전의 추 시퀀스의 위상을 나타내며, 사각형은 QPSK(Quadrature Phse Shift Keying)의 위상을 나타낸다. 추 시퀀스를 QPSK로 양자화한다는 것은, 원으로 표시된 지점을 QPSK에 해당하는 가장 가까운 사각형으로 근사화시키는 과정을 의미한다.
이상에서 설명한 바와 같이, Non-CAZAC 시퀀스를 이용하는 경우에 있어서 송신기는 파일럿 시퀀스들 간의 상관관계가 최소가 되도록 시퀀스 셋을 생성할 수 있다. 이에 따라, 시그니쳐를 전송하면서도 수신기의 성능을 최대한 보장할 수 있게 된다.
도 32는 제안하는 실시 예에 따른 송신기와 수신기의 동작 과정을 설명하는 흐름도이다. 도 32는 이상에서 설명한 실시 예들에 기초한 일련의 시계열적인 흐름을 도시하며, 구체적인 내용이 기술되지 않더라도 앞서 설명했던 내용이 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다.
먼저, 송신기는 파일럿 시퀀스들 간의 상관관계가 최소가 되도록 시퀀스 셋을 생성한다(S3210). 이러한 과정은, 베이스라인 시퀀스를 시프팅하는 과정에서 시프팅 값을 조절하는 과정을 통해 수행될 수 있으며, 예를 들어 송신기는 최소 시프팅 값을 채널 유효 지연 구간이나 타이밍 오프셋을 고려하여 결정할 수 있다. 또한, 수신기는 시프팅 값에 따른 파일럿 시퀀스들 간의 상관관계를 고려하여 최소의 상관관계를 갖는 시프팅 값을 최종적으로 결정할 수 있다. 또는, 송신기는 양자화된 추 시퀀스를 이용하여 시퀀스 셋을 구성할 수도 있다.
이어서, 송신기는 생성된 시퀀스 셋 중에서 선택된 파일럿 시퀀스를 수신기로 전송한다(S3220). 시퀀스 셋에 포함된 파일럿 시퀀스들은 각각 서로 다른 비트로 표현되는 추가적인 정보(시그니쳐)에 매핑된다. 따라서, 수신기는 파일럿 시퀀스를 수신하고(S3230), 수신된 파일럿 시퀀스를 식별함으로써 송신기가 전송한 추가적인 정보를 획득하게 된다(S3240). 즉, 수신기는 수신된 파일럿 시퀀스의 시프팅 값 등을 구별해냄으로써 송신기가 어떠한 추가적인 정보를 전송하고자 한 것인지 알 수 있게 된다.
4. 장치 구성
도 33은 본 발명의 일 실시 예와 관련된 수신기 및 송신기의 구성을 도시하는 도면이다. 도 33에서 수신기(100) 및 송신기(150)는 각각 무선 주파수(RF) 유닛(110, 160), 프로세서(120, 170) 및 메모리(130, 180)를 포함할 수 있다. 도 33에서는 수신기(100)와 송신기(150) 간의 1:1 통신 환경만을 도시하였으나, 다수의 수신기와 다수의 송신기 간에도 통신 환경이 구축될 수 있다. 또한, 도 33에 도시된 송신기(150)는 매크로 셀 송신기와 스몰 셀 송신기에 모두 적용될 수 있다.
각 RF 유닛(110, 160)은 각각 송신부(112, 162) 및 수신부(114, 164)를 포함할 수 있다. 수신기(100)의 송신부(112) 및 수신부(114)는 송신기(150) 및 다른 수신기들과 신호를 송신 및 수신하도록 구성되며, 프로세서(120)는 송신부(112) 및 수신부(114)와 기능적으로 연결되어 송신부(112) 및 수신부(114)가 다른 기기들과 신호를 송수신하는 과정을 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 전송할 신호에 대한 각종 처리를 수행한 후 송신부(112)로 전송하며, 수신부(114)가 수신한 신호에 대한 처리를 수행한다.
필요한 경우 프로세서(120)는 교환된 메시지에 포함된 정보를 메모리(130)에 저장할 수 있다. 이와 같은 구조를 가지고 수신기(100)는 이상에서 설명한 본 발명의 다양한 실시 형태의 방법을 수행할 수 있다.
송신기(150)의 송신부(162) 및 수신부(164)는 다른 송신기 및 수신기들과 신호를 송신 및 수신하도록 구성되며, 프로세서(170)는 송신부(162) 및 수신부(164)와 기능적으로 연결되어 송신부(162) 및 수신부(164)가 다른 기기들과 신호를 송수신하는 과정을 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 프로세서(170)는 전송할 신호에 대한 각종 처리를 수행한 후 송신부(162)로 전송하며 수신부(164)가 수신한 신호에 대한 처리를 수행할 수 있다. 필요한 경우 프로세서(170)는 교환된 메시지에 포함된 정보를 메모리(180)에 저장할 수 있다. 이와 같은 구조를 가지고 송신기(150)는 앞서 설명한 다양한 실시 형태의 방법을 수행할 수 있다.
수신기(100) 및 송신기(150) 각각의 프로세서(120, 170)는 각각 수신기(100) 및 송신기(150)에서의 동작을 지시(예를 들어, 제어, 조정, 관리 등)한다. 각각의 프로세서들(120, 170)은 프로그램 코드들 및 데이터를 저장하는 메모리(130, 180)들과 연결될 수 있다. 메모리(130, 180)는 프로세서(120, 170)에 연결되어 오퍼레이팅 시스템, 어플리케이션, 및 일반 파일(general files)들을 저장한다.
본 발명의 프로세서(120, 170)는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 호칭될 수 있다. 한편, 프로세서(120, 170)는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어를 이용하여 본 발명의 실시 예를 구현하는 경우에는, 본 발명을 수행하도록 구성된 ASICs(application specific integrated circuits) 또는 DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays) 등이 프로세서(120, 170)에 구비될 수 있다.
한편, 상술한 방법은, 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터 판독 가능 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터 판독 가능 매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 본 발명의 다양한 방법들을 수행하기 위한 실행 가능한 컴퓨터 코드를 포함하는 저장 디바이스를 설명하기 위해 사용될 수 있는 프로그램 저장 디바이스들은, 반송파(carrier waves)나 신호들과 같이 일시적인 대상들은 포함하는 것으로 이해되지는 않아야 한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, DVD 등)와 같은 저장 매체를 포함한다.
본원 발명의 실시 예 들과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아닌 설명적 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 발명의 상세한 설명이 아닌 특허청구 범위에 나타나며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 바와 같은 파일럿 시퀀스 생성 및 전송 방법은 IEEE 802.11 시스템, HEW 시스템에 적용되는 예를 중심으로 설명하였으나, IEEE 802.11 시스템과 HEW 시스템 이외에도 다양한 무선 통신 시스템에 적용하는 것이 가능하다.

Claims (12)

  1. 무선 통신 시스템에서 송신기가 수신기로 파일럿 시퀀스를 전송하는 방법에 있어서,
    Non-CAZAC(Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 특성을 갖는 베이스라인(baseline) 시퀀스를 생성하는 단계;
    상기 베이스라인 시퀀스를 시간축 상에서 시프팅하여 복수의 파일럿 시퀀스를 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 파일럿 시퀀스로 구성되는 시퀀스 셋 중에서 선택된 어느 하나의 파일럿 시퀀스를 수신기로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 시프팅은 상기 복수의 파일럿 시퀀스 간의 상관관계가 최소가 되도록 수행되며,
    상기 시퀀스 셋에 포함된 파일럿 시퀀스 각각은 상기 수신기에 전송될 서로 다른 추가적인 정보에 각각 대응하는 것인, 파일럿 시퀀스 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시프팅의 최소 값은 채널 유효 지연 구간 및 타이밍 오프셋 중 적어도 하나를 고려하여 결정되는 것인, 파일럿 시퀀스 전송 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수신기가 상기 타이밍 오프셋을 추정할 수 있는 경우, 상기 시프팅의 최소 값은 채널 유효 지연 구간만을 고려하여 결정되는 것인, 파일럿 시퀀스 전송 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 파일럿 시퀀스를 생성하는 단계는, 양자화된 추 시퀀스(quantized Chu sequence)를 상기 복수의 파일럿 시퀀스로 이용하는 것인, 파일럿 시퀀스 전송 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양자화된 추 시퀀스는 추 시퀀스의 위상을 기결정된 성상도 중 어느 하나의 위상으로 근사화하여 생성되는 것인, 파일럿 시퀀스 전송 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기결정된 성상도는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 8-PSK(Phase Shift Keying), 16-PSK, 32-PSK 중 어느 하나인 것인, 파일럿 시퀀스 전송 방법.
  7. 무선 통신 시스템에서 수신기로 파일럿 시퀀스를 전송하는 송신기에 있어서,
    송신부;
    수신부; 및
    상기 송신부 및 상기 수신부와 연결되어 동작하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는,
    Non-CAZAC(Non-Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 특성을 갖는 베이스라인(baseline) 시퀀스를 생성하고,
    상기 베이스라인 시퀀스를 시간축 상에서 시프팅하여 복수의 파일럿 시퀀스를 생성하고,
    상기 복수의 파일럿 시퀀스로 구성되는 시퀀스 셋 중에서 선택된 어느 하나의 파일럿 시퀀스를 수신기로 전송하도록 동작하되,
    상기 시프팅은 상기 복수의 파일럿 시퀀스 간의 상관관계가 최소가 되도록 수행되며,
    상기 시퀀스 셋에 포함된 파일럿 시퀀스 각각은 상기 수신기에 전송될 서로 다른 추가적인 정보에 각각 대응하는 것인, 송신기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시프팅의 최소 값은 채널 유효 지연 구간 및 타이밍 오프셋 중 적어도 하나를 고려하여 결정되는 것인, 송신기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신기가 상기 타이밍 오프셋을 추정할 수 있는 경우, 상기 시프팅의 최소 값은 채널 유효 지연 구간만을 고려하여 결정되는 것인, 송신기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는, 양자화된 추 시퀀스(quantized Chu sequence)를 상기 복수의 파일럿 시퀀스로 이용하여 상기 복수의 파일럿 시퀀스를 생성하는 것인, 송신기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양자화된 추 시퀀스는 추 시퀀스의 위상을 기결정된 성상도 중 어느 하나의 위상으로 근사화하여 생성되는 것인, 송신기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기결정된 성상도는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 8-PSK(Phase Shift Keying), 16-PSK, 32-PSK 중 어느 하나인 것인, 송신기.
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