KR101054049B1

KR101054049B1 - Ｏｆｄｍ 셀룰라 망에서 단말기 간의 직접 통신을 위한 자원 할당 방법 및 프레임 구조

Info

Publication number: KR101054049B1
Application number: KR1020090001484A
Authority: KR
Inventors: 이재숭; 이재영; 이황수; 마중수; 김용이; 곽동구; 이상혁
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2011-08-03
Also published as: KR20100059633A

Abstract

본 발명은 IEEE 802.16 OFDM 셀룰라 망에서 P2P 모드를 효율적으로 지원할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, P2P 통신을 위한 별도의 P2P 존을 업링크 서브프레임 내에 생성하고, 한 기지국을 중심으로 여러 개의 클러스터들이 존재할 때 각각의 인접 클러스터 간의 자원할당은 TDMA 방식을 따르고, 상기 각 클러스터 내에서의 단말기들 간의 자원할당은 직교 분할 방식을 취하기 위해 FDMA 또는 OFDMA 방식을 취하는 것을 특징으로 한다.

OFDM 셀룰라 망, P2P 통신

Description

ＯＦＤＭ 셀룰라 망에서 단말기 간의 직접 통신을 위한 자원 할당 방법 및 프레임 구조{METHOD FOR RESOURCE ALLOCATION AND FRAME STRUCTURE OF PEER-TO-PEER COMMUNICATION IN OFDMA CELLULAR NETWORKS}

본 발명은 OFDM 셀룰라 망에서 단말기 간의 직접 통신을 위한 자원 할당 기술에 관한 것으로, 특히 IEEE 802.16 OFDM 셀룰라 망에서 P2P 모드를 효율적으로 지원할 수 있도록 한 OFDM 셀룰라 망에서 단말기 간의 직접 통신을 위한 자원 할당 방법 및 프레임 구조에 관한 것이다.

IEEE 802.16e-2005 모바일 와이맥스는 기지국 중심의 인프라(Infrastructure) 기반을 구축한 곳에서만 통화 서비스가 가능한 것으로, 기지국이 없거나 기지국을 벗어나는 단말기(예: 셀룰라 폰)에 대해서는 통화지원이 불가능하다.

릴레이 기능을 지원하는 IEEE 802.16j 표준은 완성되었지만, 이 역시 단말기 간의 직접 통신을 지원하는 것이 불가능하다. 현재 IEEE 802.16m에서 단말기 간의 직접 통신을 위한 연구가 진행되고 있는 실정에 있다.

이와 같이 종래의 IEEE 802.16e-2005 모바일 와이맥스 환경에서는 사용자가 기지국이 없거나 기지국 영역을 벗어나는 경우 통화 서비스가 불가능하게 되는 문제 점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 IEEE 802.16 OFDM 셀룰라 망에서 P2P 모드를 지원하여 사용자가 통화권을 이탈하는 경우에도 단말기 간의 직접 통화가 가능하도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 IEEE 802.16 OFDM 기반의 단말기들이 기지국을 이용하다가 필요에 따라 기지국을 거치지 않고 단말기 간에 직접 통화를 요구하는 경우에 필요한 자원 할당과 프레임 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 목적들은 앞에서 언급한 목적으로 제한되는 것이 아니라, 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, P2P 통신을 위한 별도의 P2P 존을 업링크 서브프레임 내에 생성하고, 한 기지국을 중심으로 여러 개의 클러스터들이 존재할 때 각각의 인접 클러스터 간의 자원할당은 TDMA 방식을 따르고, 상기 각 클러스터 내에서의 단말기들 간의 자원할당은 직교 분할 방식을 취하기 위해 FDMA 또는 OFDMA 방식을 취하는 IEEE 802.16 OFDMA 프레임 구조를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 또 다른 본 발명은, 기지국이 각 클러스터 내의 각 링크의 예상 파워 소모량을 계산한 후, 그 중에서 가장 파워 소모량이 많으면서 전송파워 제한에 위반될 것으로 예상되는 링크를 선정하는 제1과정과; 상기 선정된 링크에 서브 캐리어를 추가하여 해당 링크의 파워 소모량이 줄어들도록 하 는 제2과정과; 상기 추가된 서브 캐리어에 의한 파워 소모량 줄임이 효율적인지 확인하여 효율적이 아닌 것으로 판명되면 해당 링크에 서브 캐리어를 할당하는 것을 금지하는 제3과정과; 상기 추가된 서브 캐리어에 의한 파워 소모량 줄임이 효율적인 것으로 판명되면 상기 제1과정으로 복귀하여 해당 링크에 서브 캐리어가 추가되는 동작이 반복 수행되게 하는 제4과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 또 다른 본 발명은, 클러스터 헤더 단말기가 해당 클러스터 내의 링크 중에서 어떤 링크가 가장 많은 서브 캐리어를 가지고 있는지 확인하는 제1과정과; 상기 가장 많은 서브 캐리어를 가진 링크부터 우선적으로 특정 서브 캐리어를 선택하고 할당 받도록 한 후 해당 링크에 할당된 서브 캐리어 보유 숫자를 하나 감소시키는 제2과정과; 해당 링크에 필요한 모든 서브 캐리어가 할당되지 않았거나, 다른 링크에 필요한 모든 서브 캐리어가 할당되지 않았으면 상기 제1과정으로 복귀하여 상기 과정이 반복 수행되도록 하는 제3과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명은 OFDM 셀룰라 망에서 P2P 모드를 지원하여 사용자가 통화권을 이탈하는 경우에도 단말기 간의 직접 통화가 가능하도록 함으로써, 통화 반경이 확대되고, 링크 품질이 향상되어 처리량(throughput)이 향상되는 효과가 있다.

이로 인하여, 군 환경이나 비상통신에서의 ad hoc 통신이 가능하게 되는 효과가 있다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 거이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공기 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 기지국 중심의 PMP(PMP:Point to MultiPpoint) 통신 단말기와 단말기 중계를 이용한 P2P 통신이 가능한 시스템을 예시적으로 나타낸 개략도이다.

도 1을 참조하면, 모든 단말기 즉, 도 1상에서 원 홉 에리어(One hop area)(10) 내에 위치한 단말기(10B,10C),(11A),(12A),(13A-13C)와 외부에 위치한 단말기(11B,11C),(12A- 12D)는 원래 디자인되어 있는 기지국(예:10A)과의 원 홉 통신을 하다가 그 기지국(10A)의 서비스가 불가능할 경우 인접 단말기를 통한 멀티 홉(multihop) 통신을 수행하게 된다.

이렇게 단말기 간의 직접 통신을 수행하기 위한 기본 단위를 클러스터라 하는데, 도 1에서는 제1클러스터(11), 제2클러스터(12), 제3클러스터(13)가 존재하는 것을 예로 하였다. 이와 같은 경우 상기 기지국(10A)은 각 클러스터(11-13) 내에서 중계기능을 수행하는 단말기를 클러스터 헤더 단말기(11A,12B,13A)로 지정한다.

상기 클러스터 헤더 단말기(11A),(12A),(13A)는 자신이 속한 클러스터(11),(12), (13) 내의 단말기(11B,11C),(12B-12D),(13B,13C)의 직접 통신이 가능하게 하고, 기지국(10A)의 통제 기능을 대행하여 클러스터 내의 P2P 통신의 효율성 이 향상된다. 이와 같은 경우 클러스터(11-13) 간에는 주파수 재사용(frequency reuse)이 가능해야 한다. 한 셀 안에 여러 개의 클러스터(11-13)가 존재할 수 있는데, 지리적으로 충분히 이격된 클러스터 간에는 주파수 재사용을 허용하여 주파수 사용 효율이 향상되도록 하였다.

도 2는 상기 도 1에서 설명한 P2P 시나리오에 따른 IEEE 802.16 OFDMA 프레임 구조를 나타낸 것이다. P2P 통신을 위한 별도의 P2P 존(zone)을 업링크 서브프레임(UL subframe) 내에 생성하였다. 그 이유는 P2P 통신은 각각의 단말기들이 전송하는 과정이기 때문이다.

도 3은 상기 도 2의 업링크 서브프레임(UL subframe) 내에 존재하는 P2P 존 안에서 각각의 클러스터들에 대한 자원할당과 한 클러스터 내에서 각 단말기에 대한 자원할당 방식을 나타낸 것이다.

도 3의 (a)는 업링크 서브프레임 내에 BS-MS존(One hop area)와 P2P 존이 존재하는 것을 나타낸 것이다.

도 3의 (b)와 같이 한 기지국을 중심으로 여러 개의 클러스터(11-13)들이 존재할 때 각각의 인접 클러스터 간의 자원할당은 TDMA(TDMA: Time Division Multiple Access) 방식을 따른다. 즉, 어떤 시간에서 한 클러스터가 전체 주파수 대역을 모두 사용하는 방식이다. 이렇게 자원을 할당함으로써, 클러스터(11-13) 간에 자원을 직교 분할하게 되어 서로 간의 간섭(interference)이 일어나지 않게 된다.

상기 도 1에서 설명한 바와 같이, 주파수 재사용이 가능하므로 특정 시간에 동시에 같은 자원을 사용하는 클러스터들이 존재할 수 있다. 이렇게 특정 시간에 어 떤 클러스터에게 할당된 자원은 클러스터 헤더 단말기(11A,12A,13A)의 통제하에 자원할당이 이루어지도록 한다. 클러스터 헤더 단말기(11A),(12A),(13A)는 클러스터(11),(12),(13) 내의 단말기(11B,11C),(12B-12D),(13B,13C)로부터 자원할당의 요구를 접수하여 적절하게 자원을 할당한다. 이때, 상기 클러스터(11),(12),(13) 내에서의 단말기(11A-11C),(12A-12D),(13A-13C) 간의 자원할당은 직교 분할 방식을 취해야 하므로 도 3의 (c)에서와 같이 FDMA(FDMA: Frequency Division Multiple Access) 또는 OFDMA 방식을 취한다.

도 4는 기지국(10A)에서 상기 클러스터(11-13) 중 임의의 클러스터 내의 링크에 할당되는 서브캐리어의 숫자를 결정하는 방법에 대한 제어 흐름도이다. 여기서 서브 캐리어는 OFDMA 시스템에서 대역폭을 이루는 하나의 단위이다.

그러므로, 기지국(10A)이 상기 클러스터(11-13) 내의 링크에 할당되는 서브캐리어의 숫자를 결정한다는 것은 대역폭을 결정한다는 것을 의미하며, 서브캐리어의 숫자가 크게 설정될수록 대역폭이 넓게 설정된다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 서브캐리어의 숫자가 크게 설정될수록 자원이 많이 할당되는 것을 의미한다.

기지국(10A)에서 클러스터(11-13) 내의 링크에 할당되는 서브캐리어의 숫자를 결정하는 주된 이유는 기지국(10A)은 한 셀 내에서 발생할 수 있는 여러 클러스터(11-13) 간에 간섭을 관리하고 이를 최소화하기 위함이다. 왜나하면, 클러스터(11-13) 간에 주파수 재사용을 하므로 각 링크가 허용된 전송파워 이상으로 파워를 소모하는 경우 같은 주파수 대역을 사용하는 다른 클러스터들에게 간섭을 일으킬 수 있기 때문이다. 따라서, 모든 클러스터(11-13)의 정보를 알고 있는 기지 국(10A)은 다음과 같은 과정을 통해 각 링크에 사용되는 대역폭을 조절하여 전송파워 제한을 위반하지 않도록 한다.

상기 기지국(10A)은 상기 클러스터(11-13) 내의 각 링크의 예상 파워 소모량을 계산한 후, 그 중에서 가장 파워 소모량이 많으면서 전송파워 제한에 위반될 것으로 예상되는 링크를 선정한다.(SA1,SA2)

상기 선정된 링크에 서브 캐리어를 추가하여 해당 링크의 파워 소모량이 그만큼 줄어들도록 한다.(SA3)

이후, 상기 추가된 서브 캐리어에 의한 파워 소모량 줄임이 효율적인지 확인하여 효율적이 아닌 것으로 판명되면 해당 링크에 서브 캐리어를 할당하는 것을 금지한다.(SA4,SA5)

그러나, 상기 확인 결과 상기 추가된 서브 캐리어에 의한 파워 소모량 줄임이 효율적인 것으로 판명되면 남은 서브캐리어가 있는지 확인하여 없으면 종료하게 되지만 있는 것으로 판명되면, 상기 제2단계(SA2)로 복귀하여 해당 링크에 서브 캐리어를 추가하는 동작을 반복 수행한다.(SA6)

도 5는 클러스터 헤더 단말기(11A),(12A),(13A)가 해당 클러스터(11),(12),(13) 내에서 각 링크에 서브 캐리어를 할당하는 방법에 대한 제어 흐름도이다.

기지국(10A)에 의해 설정된 각 링크의 대역폭 크기를 해당 클러스터 헤더 단말기가 알고 있으므로, 이러한 정보를 이용하여 해당 클러스터 내의 링크 중에서 어떤 링크가 가장 많은 서브 캐리어를 가지고 있는지 확인한다.(SB1,SB2)

이후, 가장 큰 대역폭을 가진 링크 즉, 가장 많은 서브 캐리어를 가진 링크부터 우선적으로 특정 서브 캐리어를 선택하고 할당 받도록 한 후 해당 링크에 할당된 서브 캐리어 보유 숫자를 하나 감소시킨다.(SB3,SB4)

이어서, 상기 과정을 통해 해당 링크에 필요한 모든 서브 캐리어가 할당되었는지 확인하여 모두 할당된 것으로 판명되고, 다른 링크에도 필요한 모든 서브 캐리어를 할당하였는지 확인하여 모두 할당된 것으로 판명되면 종료한다. 하지만, 해당 링크에 필요한 모든 서브 캐리어가 할당되지 않은 것으로 판명되거나, 해당 링크에 필요한 모든 서브 캐리어가 모두 할당되었지만 서브 캐리어가 할당되지 않은 다른 링크가 존재하는 것으로 판명되면 상기 제2단계(SB2)로 복귀하여 상기 과정을 반복 수행한다.(SB5,SB6)

상기 설명에서와 같이, 우선 순위를 가지고 특정 서브 캐리어를 모두 선택 및 할당하는 이유는 대역폭을 많이 할당받은 링크가 원하는 서브 캐리어를 먼저 선택하게 하고, 각 링크 간에 FDMA 또는 OFDMA 방식의 대역폭 할당을 이루도록 하기 위함이다.

전술한 바와 같은 처리과정은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(예: 씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 단말기 간의 직접 통신이 가능한 시스템을 예시적으로 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 단말기 간의 직접 통신을 위한 OFDMA 프레임의 구조도.

도 3의 (a)-(c)는 본 발명에서의 단말기 간의 직접 통신시 효과적인 자원할당 방법을 나타낸 예시도.

도 4는 본 발명에서의 기지국에서 한 클러스터 내의 링크에 할당되는 서브캐리어의 숫자를 결정하는 방법에 대한 제어 흐름도.

도 5는 본 발명에서의 클러스터 헤더 단말기 해당 클러스터 내에서 각 링크에 서브 캐리어를 할당하는 방법에 대한 제어 흐름도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

10 : 원 홉 에리어 10A : 기지국

11-13 : 제1-3클러스터 11A,12A,13A : 클러스터 헤더 단말기

Claims

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클러스터 헤더 단말기가 해당 클러스터 내의 링크 중에서 어떤 링크가 가장 많은 서브 캐리어를 가지고 있는지 확인하는 제1과정과;

상기 가장 많은 서브 캐리어를 가진 링크부터 우선적으로 특정 서브 캐리어를 선택하고 할당 받도록 한 후 해당 링크에 할당된 서브 캐리어 보유 숫자를 하나 감소시키는 제2과정과;

해당 링크에 필요한 모든 서브 캐리어가 할당되지 않았거나, 다른 링크에 필요한 모든 서브 캐리어가 할당되지 않았으면 상기 제1과정으로 복귀하여 상기 제1과정 및 상기 제2과정이 반복 수행되도록 하는 제3과정으로 이루어져 클러스터 내의 각 링크에 서브 캐리어를 할당하는 것을 특징으로 하는 OFDM 셀룰라 망에서 단말기 간의 직접 통신을 위한 자원 할당 방법.