KR100855225B1

KR100855225B1 - 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선접속통신시스템에서 프레임 통신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100855225B1
Application number: KR1020050090764A
Authority: KR
Inventors: 장재혁; 임은택; 장영빈; 노정민; 박동식; 최준영; 조영권
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2008-08-29
Also published as: EP1770879A2; KR20070035869A; EP1770879A3; EP1770879B1; US20070081483A1

Abstract

본 발명은 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선접속 통신시스템에서 프레임 통신 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 중계기(RS : Relay Station)의 통신 방법은, 프레임의 제1구간 동안, 기지국으로부터 하향링크 신호를 수신하여 재구성하는 과정과, 상기 프레임의 제2구간으로 천이시, 상기 재구성된 하향링크 신호를 단말기로 전송하는 과정과, 상기 프레임의 제3구간으로 천이시, 단말기로부터 상향링크 신호를 수신하여 재구성하는 과정과, 상기 프레임의 제4구간으로 천이시, 상기 재구성된 상향링크 신호를 상기 기지국으로 전송하는 과정을 포함한다. 이와 같은 본 발명은 중계기가 기지국으로부터의 데이터를 복원해 기지국이 가리키는 특정 데이터만을 재전송 하므로 불필요한 재전송을 줄이고 이에 따라 효율적으로 자원을 활용할수 있는 이점이 있다.

OFDMA 시스템, 중계기, Relay, MAP

Description

다중홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선접속 통신시스템에서 프레임 통신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COMMUNICATING FRAME DATA IN A MULTI-HOP RELAY BROADBAND WIRELESS ACCESS COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 일반적인 IEEE 802.16e 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 기지국 서비스 영역 확대를 위한 다중 홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중홉 릴레이 방식의 광대역 무선접속 통신시스템을 위한 프레임 구조를 도시하는 도면.

도 4 본 발명의 실시예에 따른 중계기를 이용한 공간다중화 이득을 가지는 프레임 구조를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선접속 통신시스템에서 프레임 통신을 위한 신호 교환 절차를 도시하는 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중홉 릴레이 방식의 광대역 무선접속 통신시스템에서 중계기의 통신 절차를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중홉 릴레이 방식의 광대역 무선접속 통신시스템에서 중계기의 구성을 도시하는 도면.

본 발명은 셀룰라 무선통신시스템의 프레임 통신장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중홉 릴레이(multi-hop relay) 방식을 사용하는 광대역 무선접속 통신시스템에서 프레임을 통신하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

차세대 통신 시스템인 4세대(4th Generation; 이하 '4G'라 칭하기로 한다) 통신 시스템에서 약 100Mbps의 전송 속도를 가지는 다양한 서비스 품질(Quality of Service; 이하 'QoS' 칭하기로 한다)의 서비스들을 제공하기 위해서 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 현재 무선 근거리 통신 네트워크(Local Area Network; 이하 'LAN'이라 칭하기로 한다) 시스템 및 무선 도시 지역 네트워크(Metropolitan Area Network; 이하 'MAN'이라 칭하기로 한다) 시스템과 같은 광대역 무선 접속(BWA: Broadband Wireless Access) 통신 시스템에 이동성(mobility)과 서비스 품질(QoS: Quality of Service)을 보장하는 형태로 진화하고 있으며, 그 대표적인 통신 시스템이 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16d 통신 시스템 및 IEEE 802.16e 통신 시스템이다.

상기 IEEE 802.16d 통신 시스템 및 IEEE 802.16e 통신 시스템은 물리 채널(physical channel)을 위해 상기 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭하기로 한다)/직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭하기로 한다) 방식을 사용하고 있다. 상기 IEEE 802.16d 통신 시스템은 현재 가입자 단말기(SS: Subscriber Station, 이하 'SS'라 칭하기로 한다)가 고정된 상태, 즉 단말기의 이동성을 전혀 고려하지 않은 상태 및 단일 셀 구조만을 고려하고 있는 시스템이다. 이와는 달리 IEEE 802.16e 통신 시스템은 상기 IEEE 802.16d 통신 시스템에 단말기의 이동성을 고려하는 시스템이다.

도 1은 일반적인 IEEE 802.16e 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 IEEE 802.16e 통신 시스템은 다중 셀 구조를 가지며, 즉 셀(100)과 셀(150)을 가지며, 상기 셀(100)을 관장하는 기지국(BS: Base Station)(110)과, 상기 셀(150)을 관장하는 기지국(140)과, 다수의 단말기들(111, 113, 130, 151, 153)로 구성된다. 그리고 상기 기지국들(110, 140)과 상기 단말기들(111, 113, 130, 151, 153)간의 신호 송수신은 상기 OFDM/OFDMA 방식을 사용하여 이루어진다. 그런데, 상기 단말기들(111, 113, 130, 151 ,153) 중 단말기(130)는 상기 셀(100)과 상기 셀(150)의 경계 지역, 즉 핸드오버(handover) 영역에 존재한다. 즉, 상기 단말기(130)는 상기 기지국(110)과 신호를 송수신하는 중에 상기 기지국(140)이 관장하는 셀(150)쪽으로 이동하게 되면 서빙 기지국(serving BS)이 상기 기지국(110)에서 상기 기지국(140)으로 변경되게 된다.

상기 일반적인 IEEE 802.16e 통신 시스템은 상기 도 1과 같이 고정된 기지국과 단말기 간에 직접 링크를 통해 시그널링 송수신이 이루어지므로 상기 기지국과 단말기 간에 신뢰도가 높은 무선 통신 링크를 쉽게 구성할 수 있다. 그런데 상기의 IEEE 802.16e 통신 시스템은 기지국의 위치가 고정되어 있으므로 무선망 구성에 있어서 유연성이 낮으며, 따라서 트래픽 분포나 통화 요구량 변화가 심한 무선 환경에서는 효율적인 통신 서비스를 제공하기 어렵다.

이와 같은 단점을 극복하기 위해 고정된 중계기(RS : Relay Station) 혹은 이동성을 갖는 중계기 혹은 일반 단말기들을 이용하여 다중 홉 릴레이 형태의 데이터 전달 방식을 상기 802.16e 통신 시스템과 같은 일반 셀룰라 무선 통신 시스템에 적용할 수 있다. 상기 다중 홉 릴레이 방식을 사용하는 무선 통신 시스템은 통신 환경 변화에 신속하게 대응하여 네트워크를 재구성할 수 있으며, 전체 무선망을 보다 효율적으로 운용할 수 있게 된다. 예를들어, 상기 다중 홉 릴레이 방식을 사용하는 무선 통신 시스템은 셀 서비스 영역을 확장시키고 시스템 용량을 증대시킬 수 있다. 즉, 기지국과 단말기(MS : Mobile Station) 간 채널 상태가 열악한 경우 상기 기지국과 단말기 사이에 중계기를 설치하여 상기 중계기를 통한 다중 홉 릴레이 경로를 구성함으로써 채널 상태가 보다 우수한 무선 채널을 단말기에게 제공할 수 있다. 또한 기지국으로부터 채널 상태가 열악한 셀 경계 지역에서 상기 다중 홉 릴레이 방식을 사용함으로써 보다 고속의 데이터 채널을 제공할 수 있고, 셀 서비스 영역을 확장시킬 수 있다.

그러면 여기서 상기 기지국 서비스 영역 확대를 위한 다중 홉 릴레이 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 구조를 설명하기로 한다.

도 2는 기지국 서비스 영역 확대를 위한 다중 홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 셀 커버리지 내에 있는 근거리 단말기들(Near MSs)은 기지국(BS : Base Station)과 직접 통신을 수행할 수 있고, 일부 셀 커버리지 밖에 있는 원거리 단말기들(Far MSs)은 중계기(RS)를 통해서 상기 기지국과 통신을 수행할수 있다. 즉, 중계기들(RS1, RS2)은 직접 신호를 송수신하지 못하는 상기 기지국과 상기 원거리 단말기들 간의 신호를 릴레이한다. 이때, 원거리 단말기들이 근거리 단말기들과 마찬가지로 동일한 동작을 수행하기 위해서는, 일반적으로 사용되는 제어채널(프리앰블 채널, MAP채널, 시스템 정보 채널, 레인징 채널, 채널정보 피드백 채널 등)을 프레임 내에 적절히 배치해야 한다.

상기와 같은 서비스 영역(셀 커버리지)의 확장이외에, 다중홉 릴레이 방식은 다이버시티 효과 등을 이용한 전송속도의 향상 등의 목적으로 사용될 수 있다. 현재로서는 셀 커버리지 확장의 목적이 가장 큰 활용 가치가 있는데, 이 경우 단순히 받은 신호를 증폭해 전달하는 방식(amplify & forward)과 디코딩해서 전달하는 방식(decode & forward)이 있다. 하지만, 어떠한 방법을 사용하던지 간에 단순히 재전송하는 방식은, 중계기(RS)의 구현이 용이한 장점이 있지만, 불필요한 데이터까지 재전송되는 단점이 있다. 즉, 중계기가 기지국과 직접 통신을 수행하는 근거리 단말기들의 데이터까지 다시 전송을 하므로, 불필요한 자원을 부가적으로 사용하게 된다. 따라서 원거리 단말기들을 지원하면서도 자원을 효율적으로 사용할수 있는 방안이 필요한 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 다중홉 릴레이 방식의 셀룰라 통신시스템에서 자원을 효율적으로 사용할 수 있는 프레임 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중홉 릴레이 방식의 셀룰라 통신시스템에서 중계기(RS : Relay Station)가 데이터를 선별하여 릴레이 재전송하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다중홉 릴레이 방식의 셀룰라 통신시스템에서 다른 공간에 위치해 있는 중계기들이 동일한 자원을 사용하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 셀룰라 통신시스템에서 중계기(RS : Relay Station)의 통신 방법은, 프레임의 제1구간 동안, 기지국으로부터 하향링크 신호를 수신하여 재구성하는 과정과, 상기 프레임의 제2구간으로 천이시, 상기 재구성된 하향링크 신호를 단말기로 전송하는 과정과, 상기 프레임의 제3구간으로 천이시, 단말기로부터 상향링크 신호를 수신하여 재구성하는 과정과, 상기 프레임의 제4구간으로 천이시, 상기 재구성된 상향링크 신호를 상기 기지국으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 셀룰라 통신시스템에서 중계기(RS : Relay Station) 장치에 있어서, 기지국으로부터 수신된 프레임의 제1구간 신호에서 제어채널메시지와 트래픽 데이터들을 복원하는 복원기와, 상기 복원기로부터의 제어채널메시지를 분석하여 상기 중계기가 릴레이할 트래픽 데이터들을 선별하는 분석기와, 상기 선별된 트래픽 데이터들에 대해 자원 할당을 수행하고, 상기 자원 할당에 따른 제어채널메시지를 재구성하는 제어채널 재구성기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 셀룰라 통신시스템에서 기지국(BS : Base Station)의 통신 방법에 있어서, 하향링크 데이터 발생시, 상기 하향링크 데이터를 중계기를 통해 전송할지 판단하는 과정과, 상기 중계기를 통해 전송할 경우, 해당 중계기의 식별정보를 포함하는 채널할당메시지를 생성하는 과정과, 상기 채널할당메시지와 상기 하향링크 데이터를 포함하는 하향링크 신호를 구성하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선접속 통신시스템에서 프레임 통신 방법에 있어서, 상기 프레임의 제1구간동안, 기지국이 중계기와 근거리 단말기로 신호를 송신하는 과정과, 상기 프레임의 제2구간으로 천이시, 상기 중계기가 원거리 단말기로 신호를 송신하는 과정과, 상기 프레임의 제3구간으로 천이시, 상기 원거리 단말기가 상기 중계기로 신호를 송신하는 과정과, 상기 프레임의 제4구간으로 천이시, 상기 근거리 단말기와 상기 중계기가 상기 기지국으로 신호를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 본 발명은 다중 홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선 접속(BWA: Broadband Wireless Access) 통신 시스템을 위한 프레임 구조 및 그에 수반되는 통신장치 및 방법을 제안하기로 한다. 이하 설명에서 기지국과 직접 통신을 수행하는 단말기를 근거리 단말기(Near MS)로 칭하고, 중계기를 통해 기지국과 통신하는 단말기를 원거리 단말기(Far MS)로 칭하기로 한다.

여기서 상기 다중 홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선 접속 통신 시스템은 예를 들어 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭하기로 한다) 방식 및 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 통신 시스템이다.

이하 설명은 광대역 무선접속 통신시스템을 예로 설명하지만, 본 발명은 다 중 홉 릴레이 방식을 사용하는 셀룰라 기반의 통신시스템이라면 동일하게 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중홉 릴레이 방식의 광대역 무선접속 통신시스템을 위한 프레임 구조를 도시하고 있다. 도면에서 가로축은 시간영역을 나타내고, 세로축은 주파수 영역을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 프레임은 크게 하향링크 프레임(Downlink frame)과 상향링크 프레임(uplink frame)으로 구분된다. 다시 상기 하향링크 프레임은 기지국이 중계기들(RS)과 가까이 있는 원거리 단말기들(Near MSs)로 하향링크 신호를 전송하는 제1구간(301)과, 중계기들이 멀리있는 근거리 단말기들(Far MSs)로 하향링크 신호를 전송하는 제2구간(303)으로 구성된다. 한편, 상기 상향링크 프레임은 상기 원거리 단말기들이 중계기들로 상향링크 신호를 전송하는 제3구간(305)과, 상기 근거리 단말기들과 상기 중계기들이 기지국으로 상향링크 신호를 전송하는 제4구간(307)으로 구성된다.

먼저, 상기 제1구간(301)은 기지국의 하향링크 전송을 위한 구간으로, 프리앰블 영역(311), DL-MAP 영역(313), UL-MAP 영역(315) 및 하향링크 데이터 전송영역(317, 319)으로 구분된다. 상기 프리앰블 영역(311)은 셀탐색 및 동기화를 위한 프리앰블 신호가 할당(또는 전송)된다. 상기 DL-MAP영역(313)은 상기 전송구간(317,319)에 전송할 하향링크 데이터들의 채널할당정보(BS_DL-MAP)가 할당된다. 상기 UL-MAP영역(315)은 상기 제4구간에서 수신할 상향링크 데이터들의 채널할당정보 가 할당된다.

한편, 소정 영역(317,319)을 도면에서와 같이 주파수분할다중화(FDM : Frequency Division Multiplexing)하여 원거리 단말로의 전송영역(317)과 중계기로의 전송영역(319)으로 구분한다. 여기서, 주파수분할다중화의 개념은 물리적인 개념이 아닌 논리적인 분할임(서브채널의 분할)임을 유의하여야 한다. 하지만, 다른 실시예로 물리적으로 주파수를 분할하여 단말로의 전송영역과 중계기로의 전송영역을 구분할수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 주파수분할다중화 개념을 사용하였지만, 다른 실시예로 시간분할다중화(TDM : Time Division Multiplexing)하거나 혹은 버스트 개념으로 자원을 자유롭게 분할할 수도 있다.

다음으로, 상기 제2구간(303)은 중계기의 하향링크 전송을 위한 구간으로, 프리앰블 영역(321), DL-MAP 영역(323), UL-MAP 영역(325) 및 하향링크 데이터 전송영역(327)으로 구분된다. 여기서, 상기 프리앰블 영역(321)은 기지국의 커버리지 밖에 존재하는 원거리 단말기들의 초기 접속을 위한 프리앰블 신호가 할당된다. 여기서, 상기 프리앰블 신호는 기지국에서 사용하는 프리앰블 신호와 동일한 것일 수 있고, 다른 예로 중계기 구분을 위한 특정 패턴의 신호가 사용될 수 있다.

상기 DL-MAP영역(323)은 상기 전송영역(327)에서 전송할 중계기 하향링크 데이터들의 채널할당정보("RS_DL-MAP"이라 칭함)가 할당된다. 이때, 상기 중계기가 전송하는 채널할당정보(RS_DL-MAP)는 기지국에서 전송하는 채널할당정보(BS_DL-MAP)와 서로 다르게 구성된다. 다시말해, 중계기는 기지국으로부터 수신된 데이터를 단순히 재전송하는 것이 아니라, 필요한 데이터만 재구성하여 전송한다. 상기 UL-MAP영역(325)은 상기 제3구간(305)에서 수신할 상향링크 데이터들의 채널할당정보("RS_UL-MAP"이라 칭함)가 할당된다.

다음으로, 상기 제3구간(305)은 원거리 단말기들의 상향링크 전송을 위한 구간으로, 상향링크 제어채널(UCCH : Uplink Control Channel)영역(331) 및 원거리 단말기를 위한 상향링크 데이터 전송영역(333)으로 구분된다. 여기서, 상기 UCCH영역(331)은 중계기로 전송되는 상향링크 제어채널이 할당되는 영역으로, OFDMA/OFDM 동작에 필요한 레인징(ranging) 채널 및 임의 접속(random access) 채널, 채널 상태 피드백(Channel quality information feedback, CQI feedback)채널, H-ARQ ACK/NAK 채널 등이 할당될 수 있다.

마지막으로, 상기 제4구간(307)은 근거리 단말기들 및 중계기들의 상향링크 전송을 위한 구간으로, 상향링크 제어채널(UCCH : Uplink Control Channel)영역(331) 및 상향링크 데이터 전송영역(343, 345)으로 구분된다. 여기서, 상기 UCCH영역(331)은 기지국으로 전송되는 상향링크 제어채널이 할당되는 영역으로, OFDMA/OFDM 동작에 필요한 레인징(ranging) 채널 및 임의 접속(random access) 채널, 채널 상태 피드백(Channel quality information feedback, CQI feedback)채널, H-ARQ ACK/NAK 채널 등이 할당될 수 있다.

한편, 소정 영역(343,345)을 도면에서와 같이 주파수분할다중화(FDM : Frequency Division Multiplexing)하여 'RSs->BS'의 영역(343)과 'Near MSs->BS'의 영역(345)으로 구분한다. 여기서, 여기서, 주파수분할다중화의 개념은 물리적인 개념이 아닌 논리적인 분할임(서브채널의 분할)임을 유의하여야 한다. 하지만, 다른 실시예로 물리적으로 주파수를 분할하여 단말로의 전송영역과 중계기로의 전송영역을 구분할수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 주파수분할다중화 개념을 사용하였지만, 다른 실시예로 시간분할다중화(TDM : Time Division Multiplexing)하거나 혹은 버스트 개념으로 자원을 자유롭게 분할할 수도 있다.

한편, 도시된 바와 같이, 상기 제1구간(301), 상기 제2구간(303), 상기 제3구간(305) 및 상기 제4구간(307) 사이에는 원활한 통신을 위해 시간가드영역(guard region)이 존재한다.

상술한 도 3과 같은 프레임 구조를 사용할 경우, 중계기가 재전송할 데이터를 가려내기 위해서는 DL-MAP구간(313)에서 전송되는 채널할당정보(BS_DL-MAP)가 하향링크 데이터의 위치정보뿐만 아니라 어떠한 중계기를 통해서 전달되어야 할지에 대한 정보를 포함하여야 한다.

하기 <표 1>은 하나의 사용자 혹은 세션(session)에 대한 채널할당정보(MAP IE(Information Element))의 일 예를 보여준다.

필드	설명
User(connection) ID	사용자 또는 세션 구분 ID
MCS 레벨	버스트의 변조 및 코딩 정보
위치정보	버스트내에서의 실제 데이터 위치(시간 및 주파수 정보)
RS ID	중계기 사용여부 및 해당 중계기의 식별정보

상기 <표 1>에 나타낸 바와 같이, MAP IE에는 하향링크 데이터 전송구간에서의 위치 정보 및 MCS 레벨 등이 기본적으로 포함되며, 부가적으로 'RS ID'가 추가된다. 이 필드는 중계기에 대한 정보(RS 사용여부 및 RS의 고유한 식별정보)를 포함한다. 중계기들은 이를 이용해서 재전송할 데이터를 선별하고, 상기 선별된 데이터에 따라 MAP을 재구성하여 전송한다.

이 때, 중계기들은 'RS ID'의 값에 따라 같은 데이터를 재전송 할 수도 있고, 완전히 다른 데이터를 동시에 재전송 할 수도 있다. 즉, 중계기들이 조밀하게 배치되어 있으면 'RS ID'에 'Broadcast RS ID'를 사용해서 모든 중계기들이 동일한 데이터를 재전송할수 있다. 이 경우, 중계기는 다른 중계기들과의 충돌없이 데이터를 전송할 수 있어야 한다. 간단한 방법으로 기지국에서 중계기들이 충돌없이 데이터를 전송할수 있도록 시간순서를 지정해줄 수 있다.

이와는 반대로 도 2에서와 같이 중계기들이 서로 간섭 없이 배치되어 있는 경우, 중계기1(RS1)과 중계기2(RS2)가 동시에 전송을 하더라도 서로 간의 간섭이 없다. 따라서, 기지국은 단말기1(MS1)의 데이터에 대해서 중계기1(RS1)의 'RS ID'를 표시해주고, 단말기2(MS2)에 대해서는 중계기2(RS2)의 'RS ID'를 DL-MAP에 표시해줌으로서, 상기 중계기들은 동일한 시간 및 주파수 자원을 활용하여 데이터를 전송할수 있다. 따라서 이 경우 중계기(RS)를 활용한 공간 다중화 (spatial multiplexing) 이득을 얻을 수 있다.

도 4 본 발명의 실시예에 따른 중계기를 이용한 공간다중화 이득을 가지는 프레임 구조를 도시하고 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 중계기들이 서로 간섭 없이 배치되는 경우, 중계기들은 프레임의 제2구간(403)과 제3구간(405)에서 동일한 시간-주파수 자원을 서로 독립적으로 사용하여 데이터 송신 및 수신을 할수 있다. 이와 같이, 중계기들을 적절히 배치하면 보다 효율적으로 자원을 활용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중홉 릴레이 방식을 사용하는 광대역 무선접속 통신시스템에서 프레임 통신을 위한 신호 교환 절차를 도시하고 있다.

이하, 기지국과 통신중인 중계기가 2개인 경우(RS1, RS2)를 가정하고, 중계기1과 통신중인 원거리 단말기를 단말1(MS1)로 칭하며, 중계기2와 통신중인 원거리 단말기를 단말2(MS2)로 칭하기로 한다.

먼저, 프레임의 제1구간(51)의 통신을 살펴보면, 기지국(BS)은 501단계에서 중계기1(RS1)로 채널할당정보(BS_DL-MAP) 및 하향링크 데이터를 전송한다. 또한, 기지국은 503단계에서 중계기2(RS2)로 상기 채널할당정보((BS_DL-MAP) 및 하향링크 데이터를 전송한다. 또한, 기지국은 505단계에서 근거리 단말기들(Near MSs)로 상기 채널할당정보 및 하향링크 데이터를 전송한다. 다시말해, 상기 제1구간동안은, 중계기들과 근거리 단말기들이 기지국으로부터 하향링크 신호를 수신한다.

다음으로, 프레임의 제2구간(53)의 통신을 살펴보면, 상기 중계기1은 507단계에서 상기 기지국으로부터 수신된 하향링크 신호에서 자신이 전송할 데이터(단말1의 데이터)를 선별하고, 상기 선별된 데이터에 근거해서 채널할당정보(RS1_DL-MAP)를 재구성(reconfiguration)한다. 그리고, 상기 중계기1은 재구성된 채널할당정보와 상기 선별된 데이터를 상기 단말1로 전송한다. 한편, 상기 중계기2는 509단계에서 상기 기지국으로부터 수신된 하향링크 신호에서 자신이 전송할 데이터(단말2의 데이터)를 선별하고, 상기 선별된 데이터에 근거해서 채널할당정보(RS2_DL-MAP)를 재구성한다. 그리고, 상기 중계기2는 재구성된 채널할당정보와 상기 선별된 데이터를 상기 단말2로 전송한다. 즉, 프레임의 제2구간(503)동안은, 원거리 단말기들이 중계기로부터 하향링크 신호를 수신한다.

다음으로, 프레임의 제3구간(55)의 통신을 살펴보면, 상기 단말2는 511단계에서 상향링크 제어채널(UCCH : Uplink Control Channel) 및 상향링크 데이터를 상기 중계기1로 전송한다. 한편, 상기 단말2는 513단계에서 상향링크 제어채널 및 상향링크 데이터를 상기 중계기2로 전송한다. 다시말해, 프레임의 제3구간동안은, 중계기들이 원거리 단말기들로부터 상향링크 신호를 수신한다.

다음으로, 프레임의 제4구간(57)의 통신을 살펴보면, 상기 중계기1은 515단계에서 상기 단말1로부터 수신된 상향링크 제어채널 및 상향링크 데이터를 상기 기지국으로 전송한다. 이때, 상기 중계기1은 상기 단말1로부터 수신된 상향링크 제어채널을 재구성하거나 혹은 그대로 기지국으로 릴레이할수 있다. 한편, 상기 중계기2는 517단계에서 상기 단말2로부터 수신된 상향링크 제어채널 및 상향링크 데이터를 상기 기지국으로 전송한다. 또한, 상기 근거리 단말기들은 519단계에서 상향링크 제어채널 및 상향링크 데이터를 상기 기지국으로 전송한다. 다시말해, 상기 제4구간(507)구간동안은, 기지국이 중계기들 및 근거리 단말기들로부터 상향링크 신호를 수신한다.

본 발명에 따른 다중홉 릴레이 통신을 위해서는 셀룰라 시스템에 중계기(RS : Relay Station)이라는 새로운 장치가 부가되여야 한다. 이하 본 발명에 따른 중계기에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 다른 다중홉 릴레이 방식의 광대역 무선접속 통신시스템에서 중계기의 통신 절차를 도시하고 있다. 이하 설명에서 중계기는 이미 프레임 동기를 획득한 상태인 것으로 가정하여 설명하기로 한다.

도 6을 참조하면, 먼저 중계기는 601단계에서 프레임의 제1구간의 시작을 감지한다. 만일, 상기 프레임의 제1구간의 시작이 감지될 경우, 상기 중계기는 603단계로 진행하여 기지국(BS)으로부터 하향링크 신호를 수신한다.

이후, 상기 중계기는 605단계에서 상기 기지국으로부터 수신된 채널할당정보(BS_DL-MAP)를 해석하여 재전송할 데이터들을 선별한다. 여기서, 데이터 선별은 상기 표 1과 같은 MAP IE를 통해 이루어질 수 있다. 즉, 중계기는 MAP IE를 해석해서 자신의 식별정보(RS ID)가 있는지 검사하고, 자신의 식별정보가 존재할 경우 수신된 하향링크 신호에서 해당 데이터들을 선별한다. 그리고, 상기 중계기는 607단계에서 상기 선별된 데이터들에 대해 자원 할당을 수행하고, 상기 자원 할당에 따른 채널할당정보를 재구성(reconfiguration)한다.

이후, 상기 중계기는 609단계에서 상기 프레임의 제2구간의 시작을 감지한다. 만일, 상기 프레임의 제2구간의 시작이 감지될 경우, 상기 중계기는 611단계로 진행하여 상기 재구성된 채널할당정보(RS_DL-MAP)와 상기 선별된 데이터들을 해당 단말기들로 전송한다.

이후, 상기 중계기는 613단계에서 상기 프레임의 제3구간의 시작을 감지한다. 만일, 상기 프레임의 제3구간의 시작이 감지될 경우, 상기 중계기는 615단계로 진행하여 해당 단말기들로부터 상향링크 제어채널(UCCH : Uplink Control Channel) 및 상향링크 데이터들을 수신한다. 그리고, 필요할 경우 상기 중계기는 617단계에서 상기 수신된 상향링크 제어채널을 재구성한다.

이후, 상기 중계기는 619단계에서 상기 프레임의 제4구간의 시작을 감지한다. 만일, 상기 프레임의 제4구간의 시작이 감지될 경우, 상기 중계기는 621단계로 진행하여 상기 재구성된 상향링크 제어채널 및 상향링크 데이터들을 기지국으로 전송한후 다음 프레임 통신을 위해 상기 601단계로 되돌아간다.

도 7은 본 발명의 실시예에 다른 다중홉 릴레이 방식의 광대역 무선접속 통신시스템에서 중계기의 구성을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 중계기는, RF처리기(701), ADC(703), OFDM복조기(705), 복호화기(707), 복원기(709), 분석기(711), 제어채널 재구성기(713), 프레임 구성기(715), 부호화기(717), OFDM변조기(719), DAC(721), RF처리기(723), 스위치(725), 시간제어기(727)를 포함하여 구성된다.

도 7을 참조하면, 먼저 시간제어기(727)는 프레임 동기에 근거해서 스위치(725)의 스위칭 동작을 제어한다. 예를들어, 프레임의 제1구간일 경우, 상기 시간제어기(727)는 안테나와 수신단의 RF처리기(710)가 연결되도록 상기 스위치(725)를 제어한다.

상기 프레임의 제1구간동안, 상기 RF처리기(701)는 안테나를 통해 수신되는 RF(Radio Frequency)신호를 기저대역 아날로그 신호로 변환한다. ADC(703)은 상기 RF처리기(701)로부터의 아날로그 신호를 샘플데이터로 변환하여 출력한다. OFDM복조기(705)는 상기 ADC(703)에서 출력되는 샘플데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역의 데이터를 출력한다.

복호화기(707)는 상기 OFDM복조기(705)로부터의 주파수 영역의 데이터에서 실제 수신하고자 하는 부반송파들의 데이터를 선택하고, 상기 선택된 데이터를 미리 정해진 변조수준(MCS레벨)에 따라 복조 및 복호하여 출력한다.

복원기(709)는 복호화기(707)로부터의 비트열에서 제어채널메시지(맵정보 등)와 트래픽 데이터를 복원한후, 상기 제어채널메시지는 상기 분석기(711)로 제공하고, 트래픽 데이터는 프레임 구성기(715)로 제공한다. 상기 분석기(711)는 상기 복원기(709)로부터의 맵정보를 분석해서 상기 중계기의 식별정보(RS ID)가 존재하는지 검사하고, 존재할 경우 릴레이할 트래픽들의 정보를 선별하여 제어채널 재구성기(713)로 제공한다.

상기 제어채널 재구성기(713)는 상기 분석기(711)로부터의 릴레이할(또는 재전송할) 트래픽들에 대한 정보를 가지고 자원할당을 수행하고, 상기 자원할당정보를 가지고 MAP(RS-DL-MAP)을 재구성하여 프레임 구성기(715)로 출력한다. 상기 프레임 구성기(715)는 상기 제어채널 재구성기(713)로부터의 MAP에 따라 기지국에서 수신된 트래픽들중 재전송할 트래픽을 선별하고, 상기 MAP와 상기 선별된 트래픽들을 정렬하여 부호화기(717)로 출력한다.

한편, 프레임의 제2구간동안, 상기 스위치(725)는 안테나와 송신단의 RF처리기(723)가 연결되도록 스위칭된다. 상기 프레임의 제2구간동안, 상기 부호화기(717)는 프레임 구성기(715)로부터의 데이터를 미리 정해진 변조수준(MCS레벨)에 따라 부호 및 변조하여 출력한다. OFDM변조기(719)는 상기 부호화기(717)로부터의 데이터를 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)하여 샘플데이터(OFDM심볼)를 출력한다. DAC(721)는 상기 샘플데이터를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. RF처리기(723)는 상기 DAC(721)로부터의 아날로그 신호를 RF(Radio Frequency) 신호로 변환하여 안테나를 통해 송신한다.

한편, 프레임의 제3구간동안은, 단말기로부터 상향링크 신호를 수신할수 있도록 상기 스위치(725)는 수신단으로 스위칭되고, 프레임의 제4구간동안은 단말기로부터 수신한 상향링크 신호를 기지국으로 송신할수 있도록 상기 스위치(725)는 송신단으로 스위칭된다. 제3구간동안 신호를 수신하고 제4구간동안 신호를 송신하는 동작은 앞서 설명한 바와 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.

앞서 설명한 실시예는, 중계기가 하향링크 자원할당을 독립적으로 수행한후 DL-MAP을 재구성하여 전송하는 방식 위주로 설명하였지만, 제3구간에 대한 상향링크 자원할당도 독립적으로 수행한후 UL-MAP을 재구성하여 전송할수 있음은 자명하다 할 것이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 프레임을 사용할 경우, 기지국으로부터 멀리 떨어져있는 원거리 단말기들도 초기화 과정은 물론 통신을 정상적으로 수행 할 수 있는 이점이 있다. 또한, 중계기는 기지국으로부터의 데이터를 복원해 기지국이 가리키는 특정 데이터만을 재전송 하므로 불필요한 재전송을 줄이고 이에 따라 효율적으로 자원을 활용할수 있는 이점이 있다. 또한, 서로 떨어져 있는 중계기들이 서로 다른 데이터를 동일한 시간 및 주파수 자원을 활용해 전송함으로써, 보다 효율적인 자원 활용이 가능한 이점이 있다.

Claims

셀룰라 통신시스템에서 중계기(RS : Relay Station)의 통신 방법에 있어서,

프레임의 제1구간 동안, 기지국으로부터 하향링크 신호를 수신하여 재구성하는 과정과,

상기 프레임의 제2구간으로 천이시, 상기 재구성된 하향링크 신호를 단말기로 전송하는 과정과,

상기 프레임의 제3구간으로 천이시, 단말기로부터 상향링크 신호를 수신하여 재구성하는 과정과,

상기 프레임의 제4구간으로 천이시, 상기 재구성된 상향링크 신호를 상기 기지국으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 프레임의 제2구간은, 프리앰블 신호가 전송되는 프리앰블 영역, 트래픽 데이터가 전송되는 데이터 영역, 상기 데이터 영역에 대한 자원할당정보가 전송되는 제1제어영역, 상기 프레임의 제3구간에 대한 자원할당정보가 전송되는 제2제어영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 프레임의 제3구간은, 상향링크 제어신호가 전송되는 제어영역, 트래픽 데이터가 전송되는 데이터 영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하향링크 신호 재구성 과정은,

상기 기지국으로부터 수신된 하향링크 신호에서 제어채널메시지와 트래픽 데이터들을 복원하는 과정과,

상기 제어채널메시지를 분석해서 상기 중계기가 릴레이할 트래픽 데이터들을 선별하는 과정과,

상기 선별된 트래픽 데이터들을 가지고 제어채널메시지를 재구성하는 과정과,

상기 재구성된 제어채널메시지와 상기 선별된 트래픽 데이터들을 정렬하여 하향링크 신호를 재구성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 제어채널메시지 재구성 과정은,

상기 선별된 트래픽 데이터들에 대해 독립적으로 자원할당을 수행하여 제어채널메시지를 재구성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서,

상기 기지국으로부터 수신된 제어채널메시지는, 단말기 식별정보, 변조레벨 정보, 트래픽 데이터의 위치정보 및 중계기 식별정보중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2구간에서 통신하는 중계기들이 서로 다른 공간에 위치될 경우, 서로 동일한 자원을 이용해서 통신하는 것을 특징으로 하는 방법.
셀룰라 통신시스템에서 중계기(RS : Relay Station) 장치에 있어서,

기지국으로부터 수신된 프레임의 제1구간 신호에서 제어채널메시지와 트래픽 데이터들을 복원하는 복원기와,

상기 복원기로부터의 제어채널메시지를 분석하여 상기 중계기가 릴레이할 트래픽 데이터들을 선별하는 분석기와,

상기 선별된 트래픽 데이터들에 대해 자원 할당을 수행하고, 상기 자원 할당에 따른 제어채널메시지를 재구성하는 제어채널 재구성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서,

상기 제어채널 재구성기로부터의 제어채널메시지와 상기 선별된 트래픽 데이터들을 정렬하여 단말기로 전송할 상기 프레임의 제2구간 신호를 생성하는 프레임 구성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서,

상기 기지국으로부터 수신된 제어채널메시지는, 단말기 식별정보, 변조레벨, 트래픽 데이터의 위치정보 및 중계기 식별자중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서,

프레임 동기에 근거해서 상기 중계기의 송수신 동작을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며,

상기 제어기는, 상기 프레임의 제1구간동안 기지국으로부터 하향링크 신호를 수신하고, 상기 프레임의 제2구간동안 단말기로 하향링크 신호를 송신하며, 상기 프레임의 제3구간동안 단말기로부터 상향링크 신호를 수신하고, 상기 프레임의 제4구간동안 기지국으로 상향링크 신호를 송신하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

상기 프레임의 제2구간은, 프리앰블 신호가 전송되는 프리앰블 영역, 트래픽 데이터가 전송되는 데이터 영역, 상기 데이터 영역에 대한 자원할당정보가 전송되는 제1제어영역, 상기 프레임의 제3구간에 대한 자원할당정보가 전송되는 제2제어영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

상기 프레임의 제3구간은, 상향링크 제어신호가 전송되는 제어영역, 트래픽 데이터가 전송되는 데이터 영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
셀룰라 통신시스템에서 기지국(BS : Base Station)의 통신 방법에 있어서,

하향링크 데이터 발생시, 상기 하향링크 데이터를 중계기를 통해 전송할지 판단하는 과정과,

상기 중계기를 통해 전송할 경우, 해당 중계기의 식별정보를 포함하는 채널할당메시지를 생성하는 과정과,

상기 채널할당메시지와 상기 하향링크 데이터를 포함하는 하향링크 신호를 구성하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서,

상기 채널할당메시지는, 단말기 식별정보, 변조레벨 정보, 트래픽 데이터의 위치정보 및 중계기 식별정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
광대역 무선접속 통신시스템에서 프레임 통신 방법에 있어서,

상기 프레임의 제1구간동안, 기지국이 중계기와 근거리 단말기로 신호를 송신하는 과정과,

상기 프레임의 제2구간으로 천이시, 상기 중계기가 원거리 단말기로 신호를 송신하는 과정과,

상기 프레임의 제3구간으로 천이시, 상기 원거리 단말기가 상기 중계기로 신호를 송신하는 과정과,

상기 프레임의 제4구간으로 천이시, 상기 근거리 단말기와 상기 중계기가 상기 기지국으로 신호를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 프레임의 제1구간은, 프리앰블 신호가 할당되는 프리앰블 영역, 중계기로 전송되는 트래픽이 할당되는 제1 데이터영역, 원거리 단말기로 전송되는 트래픽이 할당되는 제2 데이터영역, 상기 제1 및 제2 데이터영역에 대한 자원할당정보가 할당되는 제1제어영역, 상기 제4구간에 대한 자원할당정보가 할당되는 제2제어영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서,

상기 제1 데이터영역과 상기 제2 데이터영역은 FDM(Frequency Division Multiplexing), TDM(Time Division Multiplexing), 버스트 분할 중 하나를 이용해서 분할되는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 프레임의 제2구간은, 프리앰블 신호가 할당되는 프리앰블 영역과, 원거리 단말기로 전송되는 트래픽이 할당되는 데이터 영역, 상기 데이터 영역에 대한 자원할당정보가 할당되는 제1제어영역과, 상기 제3구간에 대한 자원할당정보가 할당되는 제2제어영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 프레임의 제3구간은, 중계기로 전송되는 상향링크 제어신호가 할당되는 제어영역, 중계기로 전송되는 트래픽이 할당되는 데이터영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서,

상기 제어영역은, 레인징(ranging) 채널 및 임의 접속(random access) 채널, 채널 상태 피드백(Channel quality information feedback, CQI feedback)채널, H-ARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) ACK/NAK 채널 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 프레임의 제4구간은, 기지국으로 전송되는 상향링크 제어신호가 할당되는 제어영역, 중계기가 전송하는 트래픽이 할당되는 제1데이터영역, 근거리 단말기가 전송하는 트래픽이 할당되는 제2데이터영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 프레임의 제2구간에서 통신하는 중계기들이 서로 다른 공간에 위치될 경우, 서로 동일한 자원을 이용해서 통신하는 것을 특징으로 하는 방법.