KR101201200B1

KR101201200B1 - 무선 통신 시스템에서 데이터 송신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101201200B1
Application number: KR1020080129509A
Authority: KR
Inventors: 이일구; 김윤주; 나해영; 이석규
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: US20100157893A1; KR20100070803A; US8265564B2

Abstract

본 발명은 통신 시스템에서 데이터 송신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템에서 데이터 송신 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 무선 통신 시스템에서 채널 상황에 적응적인 패킷 데이터 송신 장치 및 방법을 제공한다. 또한 본 발명에서는 어그리게이션 모드를 사용하는 무선 통신 시스템에서 높은 스루풋을 제공할 수 있는 데이터 송신 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은, 무선 통신 시스템에서 패킷 데이터의 송신 방법으로, 수신측으로부터 궤환된 응답 신호에 의거하여 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에 삽입할 프리앰블의 개수를 결정하는 과정과, 상위 계층으로부터 수신된 패킷들에 상기 결정된 프리앰블 개수만큼 프리앰블을 삽입하여 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 생성하고 이를 전송하는 과정을 포함한다.

어그리게이션 모드(aggregation mode), 채널 적응형 패킷 전송 방식, 채널 추정 방법, 고속 무선 통신 시스템

Description

무선 통신 시스템에서 데이터 송신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING DATA IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

"본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: 2006-S-014-03, 과제명 : 200Mbps급 IEEE 802.11n 모뎀 및 RF 칩셋 개발]."

일반적으로 통신 시스템은 크게 유선 통신 시스템과 무선 통신 시스템으로 구별된다. 유선 통신 시스템의 경우 단말과 네트워크간 연결이 유선으로 연결되어 안정적으로 고속의 데이터를 전송할 수 있으나, 사용자의 활동성이 제약된다는 단점이 있다. 반면에 무선 통신 시스템의 경우 단말과 네트워크간의 연결이 소정 주파수를 이용하여 데이터를 전송하게 되므로, 유선 통신 시스템에 비해 저속이지만 사용자의 활동성 제약이 없다는 장점이 있다.

무선 통신 시스템은 기술의 비약적인 발전에 힘입어 현재에는 패킷 기반의 고속 무선 통신 시스템들이 속속 등장하고 있으며, 보다 고속의 데이터를 효율적으로 전송하기 위해 다양한 방법들의 연구가 계속되고 있다. 무선 통신 시스템에서 일반적으로 패킷의 송신율을 높이기 위해서 송신 전력(Power)을 조절하여 채널 상황에 적응하는 기술들이 주로 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 방법만으로는 패킷의 송신율을 높이기 어려움이 있다. 따라서 보다 다양한 방법을 통해 패킷의 송신율을 높일 수 있는 방법들이 필요하게 되었다.

이러한 요구에 부응하여 다양한 기법을 이용하여 패킷의 송신율을 높일 수 있는 방법들이 연구되어 발표되고 있다. 일반적으로 무선 통신 시스템은 크게 물리(PHY) 계층과 맥(MAC) 계층으로 구분된다. PHY 계층에서는 정보 전달의 신뢰성 향상과 데이터 레이트 향상을 위해 복잡한 기술을 사용한다. 초고속 무선 통신 시스템을 구성하기 위해 PHY 계층에서 주로 사용하는 대표적인 기술은 주파수 직교 분할 다중화 기반의 다중 안테나 기술을 이용한 고속 무선 전송 기술과 채널 코딩 방법 및 고차원 변조 방식 등이 있다. 그리고 MAC 계층에서는 사용자에서 질 좋은 서비스를 제공하기 위한 프로토콜을 정의하는데, 높은 스루풋을 제공하기 위해 블록 응답(Block Ack)과 어그리게이션(Aggregation) 모드 기술을 주로 사용한다. 여기서 어그리게이션 모드란, 여러 개의 패킷을 연결하여 하나의 긴 패킷으로 한 번에 전송할 수 있는 모드를 말한다.

예를 들어 국제 더블 밸런스드 표준인 IEEE 802.11n 에서는 물리(PHY) 계층에서 64-QAM의 고차원 변조 방식과 5/6 코드 레이트와 같은 높은 부호율을 갖는 채 널 코딩 방식을 도입했다. 또한 국제 무선 랜((Wireless RAN) 표준인 IEEE 802.11n에서는 다중 안테나 및 주파수 직교 변조 방식을 적용하여 물리 계층 데이터 레이트를 300Mbps까지 높이도록 했다. 뿐만 아니라 MAC 계층에서는 헤더와 프레임간 간격에 의한 오버헤드를 줄이기 위해 블록 응답(Block Ack) 방식과 어그리게이션 모드를 사용하여 PHY 계층 레이트가 300Mbps일 때 MAC 계층의 전송율이 최대 약 200Mbps까지 스루풋을 유지할 수 있는 기술을 표준으로 채택했다.

무선 랜의 표준협회인 IEEE에서 MAC 계층 표준으로 택한 Block Ack 방식 및 Aggregation 모드를 사용하는 경우 이론적으로 높은 스루풋의 달성이 가능하다. 하지만, 실제 무선 환경에서 이러한 스루풋의 달성이 가능하지 않을 수 있다. 왜냐하면, 더블 밸런스드의 전송 방식에서 180Mbps 이상의 스루풋을 달성하기 위해서는 64-QAM 변조 방식과 5/6 코드 레이트로 다중 안테나를 통해 신호를 전달한다. 따라서 무선 랜에서 상대적으로 긴 패킷 구간동안 채널이 안정적이며 수신단에서 요구하는 신호대 잡음비(SNR)가 그 시간 구간동안 유지가 되어야 한다. 또한 무선 랜 시스템의 수신단에서 높은 스루풋을 달성하기 위해서는 에러 프로파게이션이 작아야 한다.

그러면 어그리게이션 모드의 동작에 대하여 살펴보기로 한다. 먼저 송신기에서는 송신할 데이터가 발생하면, 발생한 데이터들을 패킷으로 구성하고, 소정 개수의 패킷을 하나의 긴 패킷으로 한 번에 전송한다. 이와 같이 전송이 이루어지면, 수신기에서는 수신된 긴 패킷을 복조 및 복호하고, 수신 오류를 검사한다. 수신된 긴 패킷에 오류가 검사되면, Block Ack 기법을 이용하여 다수의 패킷에 대한 오류 여부를 한 번에 송신기로 알리게 된다. 송신기는 전송된 패킷들 중에서 오류가 발생한 패킷이 존재하는 경우 이들을 다시 재전송함으로써 패킷의 수신 성공률을 높일 수 있다.

그런데, 일반적으로 패킷의 전송에서 재전송 시간도 스루풋 저하의 원인이 된다. 따라서 보다 효율적으로 데이터를 전송하기 위해서는 기본적으로 재전송이 적어야 한다. 하지만, 실제 채널은 노이즈가 많고, 프리퀀시 셀렉티브한 특성을 갖고 있으며, RF 및 아나로그 패스에 존재하는 시간/주파수 오프셋 등에 의해 긴 패킷은 오히려 패킷 에러 레이트(PER)가 높아 이상적인 환경에서 이론적으로 얻을 수 있는 스루풋에 도달하기 어렵다는 문제가 있다.

따라서 본 발명에서는 무선 통신 시스템에서 채널 상황에 적응적인 패킷 데이터 송신 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 어그리게이션 모드를 사용하는 무선 통신 시스템에서 높은 스루풋을 제공할 수 있는 데이터 송신 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 무선 통신 시스템에서 패킷 데이터의 송신 장치로, 수신측으로부터 궤환된 응답 신호에 의거하여 삽입할 프리앰블의 개 수를 결정하고, 상위 계층으로부터 수신된 패킷들에 상기 결정된 프리앰블 개수만큼 프리앰블을 삽입하여 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 생성하는 맥(MAC) 계층과, 상기 데이터 처리부에서 생성된 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 물리계층 패킷으로 구성하여 전송하는 물리계층을 포함한다.

본 발명에 따른 기법을 사용하면, 채널의 상황에 따라 어그리게이션 패킷 형성 시에 PHY 프리앰블을 스루풋 최적의 위치에 삽입함으로써 노이즈가 심하고 채널 변화가 심한 실제 무선 채널 환경에서 보다 스루풋을 향상 시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 당업자에게 자명한 부분에 대하여는 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략하기로 한다. 또한 이하에서 설명되는 각 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐이며, 각 제조 회사 또는 연구 그룹에서는 동일한 용도임에도 불구하고 서로 다른 용어로 사용될 수 있음에 유의해야 한다.

도 1은 본 발명이 적용된 무선 통신 장치의 기능적 블록 구성도이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명이 적용된 무선 통신 장치의 기능에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저 송신기로 동작하는 경우에 대하여 살펴보기로 한다. 송신기에서 생성된 즉, 전송할 송신 데이터는 상위 계층으로부터 데이터 처리부(130)로 전달된다. 여기서 데이터 처리부(130)는 MAC 계층이 될 수 있다. 데이터 처리부(130)는 어그리게이션 모드에서 패킷 데이터를 전송하는 경우 송신할 다수의 패킷들을 하나의 긴 패킷으로 구성하여 변조/부호화부(120)로 전달한다. 그러면 변조/부호화부(120)는 긴 패킷을 하나의 패킷으로 구성하여 변조 및 부호화 과정을 수행한다. 여기서 변조/부호화부(120)는 PHY 계층이 될 수 있다. 변조/부호화부(120)에서 변조 및 부호화된 패킷은 무선부(110)에서 미리 결정된 무선 전송 방식에 따라 매칭되고, 대역 상승 변환되어 각 안테나들(ANT #1, …, ANT #n)을 통해 수신기로 전달된다. 여기서 무선부(110) 및 각 안테나들(ANT #1, …, ANT #n) 또한 PHY 계층이 될 수 있다.

한편, 이와 같이 전송된 데이터에 대하여 수신기로부터 Block Ack 방식으로 응답 신호가 수신되면, 무선부(110)에서 대역 하강 변환 및 디매핑 과정이 이루어진다. 이와 같이 대역 하강 변환 및 디매핑 과정이 이루어진 신호는 복조/복호부(125)로 입력된다. 복조/복호부(125)에서는 수신된 Block Ack 방식으로 수신된 응답 신호를 복조/복호하고, 이를 데이터 처리부(130)로 제공한다. 그러면 데이터 처리부(130)는 수신된 응답 신호에서 에러가 발생한 패킷의 정보들을 추출하고, 발 생한 에러의 분포도 및 에러의 빈도수 등에 근거하여 어그리게이션 패킷의 프리앰블의 삽입 주기를 추가하거나 줄이며, 필요에 따라서는 어그리게이션 패킷의 숫자 또는 양을 줄인다. 이하의 설명에서 프리앰블의 숫자를 늘이거나 줄인 형태의 어그리게이션 패킷을 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷이라 칭한다.

일반적으로 에러가 빈번하게 발생하였다는 것은 채널의 변화가 심하다는 것을 의미하므로, 프리앰블을 보다 많이 삽입할 수 있다. 또한 에러가 빈번하지 않다는 것은 채널이 안정적이므로 프리앰블의 삽입을 줄이는 제어를 수행한다. 또한 패킷의 마지막에 집중적으로 분포되어 있는 경우 어그리게이션 패킷의 전송 양 또는 패킷의 수를 줄여 전송하도록 한다. 이에 대한 자세한 동작은 후술되는 도 2를 참조하여 더 살펴보기로 한다.

다음으로 수신기로 동작하는 경우에 대하여 살펴보기로 한다. 송신기에서 송신된 어그리게이션 패킷은 다수의 안테나들(ANT #1, …, ANT #n)을 통해 무선부(110)로 입력되며, 무선부(110)에서는 프리앰블을 이용하여 채널을 추정한다. 이때, 본 발명에 따른 어그리게이션 패킷인 경우 무선부(110)는 어그리게이션 패킷에 포함되어 있는 다수의 프리앰블들로부터 채널을 추정하여 복조/복호부(125)로 제공한다. 그러면 복조/복호부(125)는 채널 추정값을 이용하여 패킷의 복조/복호를 수행한다. 이와 같이 패킷의 복조/복호를 수행하면, 일반적인 어그리게이션 패킷보다 많은 횟수의 프리앰블들로부터 채널 상황을 계속적으로 추정할 수 있으므로 패킷의 복조 및 복호에 보다 효율성이 높아지게 된다. 이러한 방법으로 복조 및 복호가 완료된 패킷은 데이터 처리부(130)로 제공된다. 그러면 데이터 처리부(130)는 수신된 패킷들로부터 에러 여부를 검출한다. 만일 에러가 존재하지 않으면 데이터 처리부(130)는 상위로 데이터를 전달한다.

반면에 에러가 존재하는 경우 데이터 처리부(130)는 Block Ack 방식으로 응답 신호를 생성하고, 이를 변조/부호화부(120)로 전달한다. 따라서 변조/부호화부(120)에서는 미리 결정된 방식으로 응답 신호를 변조 및 부호화한다. 이와 같이 변조 및 부호화된 신호는 무선부(110)에서 송신 대역의 신호로 변환된 후 각 안테나들(ANT #1, …, ANT #n)을 통해 송신기로 전달된다.

도 2는 본 발명에 따른 데이터 처리부에서 패킷의 송신 시 제어 흐름도이다.

데이터 처리부(130)는 200단계에서 대기 상태를 유지한다. 여기서 대기 상태란, 일반적으로 데이터의 송신 및 수신을 대기하는 상태로, 상위 계층으로부터 전송할 패킷의 수신을 대기하고, PHY 계층으로부터 수신 패킷 또는 응답 신호를 대기하는 상태이다. 본 발명에서는 패킷 데이터의 송신에 관한 것이므로, 여기서는 송신할 패킷의 수신을 대기하는 상태로 가정하여 설명하기로 한다.

데이터 처리부(130)는 200단계의 대기 상태를 유지하다가 특정 이벤트가 발생하면 202단계로 진행하여 송신할 패킷이 도착하였는가를 검사한다. 이러한 이벤트는 송신할 패킷이 상위 계층으로부터 도착하는 경우와 Block Ack 방식에 따른 에러가 검출되어 재전송 패킷이 존재하는 경우로 구분할 수 있다. 여기서는 먼저 상위 계층으로부터 전송할 패킷이 도착하는 경우에 대하여 살펴보기로 한다. 202단계의 검사결과 송신할 패킷이 도착한 경우 패킷 데이터 처리부(130)는 204단계로 진행하여 전송할 다수의 패킷들을 이용하여 어그리게이션 패킷을 생성하고, 이를 PHY 계층으로 전송한다. 여기서 어그리게이션 패킷의 생성은 IEEE 802.11n 표준에 따른 어그리게이션 패킷이 될 수도 있고, 본 발명에 따라 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷이 될 수도 있다.

그런 후 데이터 처리부(130)는 무선부(110) 및 복조/복호부(125)를 통해 Block Ack 패킷을 수신하면 206단계에서 수신된 Block Ack 패킷으로부터 에러 정보를 추출한다. 즉, 다수의 패킷들을 이용하여 어그리게이션 패킷을 생성한 후 전송된 패킷 중 어떠한 패킷에서 전송 에러가 발생하였는가를 검사하는 것이다. 이와 같은 검사 후 데이터 처리부(130)는 208단계로 진행하여 발생된 에러의 개수가 미리 결정된 임계값 이상인가를 검사한다. 이러한 임계값은 실험을 통해서 최적의 값을 얻을 수도 있고, 어그리게이션 모드를 설정하여 데이터를 전송하는 경우와 일반 전송 모드를 대비하여 어그리게이션 모드에서 가장 최적의 임계값을 설정할 수도 있다.

208단계의 검사결과 에러의 개수가 미리 결정된 임계값 미만인 경우 데이터 처리부(130)는 210단계로 진행하여 프리앰블 삽입 주기를 늘인다. 즉, 프리앰블을 보다 적게 삽입하도록 하는 것이다. 이와 같이 프리앰블 삽입 주기를 결정한 이후 데이터 처리부(130)는 프리앰블 삽입 주기에 대한 정보를 저장하고, 211단계로 진행한다. 211단계에서는 전송된 어그리게이션 패킷에 대한 Block Ack 패킷으로부터 추출한 에러 정보에 전송된 패킷들 중 수신 에러가 존재하는 패킷이 있는가를 검사한다. 만일 이전에 전송한 패킷들 중 에러가 있는 패킷이 있다면, 데이터 처리부(130)는 204단계로 진행하여 결정된 프리앰블 삽입 주기에 따라 재전송을 위한 어그리게이션 패킷을 생성하여 전송할 수 있다. 그러나 이전에 전송된 어그리게이션 패킷 중 에러가 존재하는 패킷이 없다면 데이터 처리부(130)는 200단계로 진행하게 된다.

한편, 208단계의 검사결과 이전에 전송된 어그리게이션 패킷 중 에러가 존재하는 패킷의 수가 임계값 이상인 경우 데이터 처리부(130)는 212단계로 진행하여 에러가 산발적으로 분포하고 있는가를 검사한다. 에러가 산발적으로 분포하고 있다는 것은, 채널의 상태가 매우 유동적이라는 것을 의미한다. 즉, 채널이 시간적으로 매우 급격히 변화하게 되므로 긴 하나의 패킷에서 하나 또는 적은 수의 프리앰블을 이용하여서는 급격하게 변화하는 채널의 변화를 충분히 검출할 수 없다는 것을 의미한다. 따라서 에러가 산발적으로 분포하는 경우에 데이터 처리부(130)는 214단계로 진행하여 프리앰블의 삽입 주기를 줄이고, 이를 저장한 후 204단계로 진행한다. 여기서 프리앰블의 삽입 주기를 줄이는 것은 결과적으로 프리앰블을 보다 많이 삽입하는 것이 된다. 이와 같이 프리앰블을 많이 삽입하면, 수신기에서 채널 추정이 용이해지므로 보다 효과적으로 패킷의 복조 및 복호가 가능해진다. 그러므로 패킷의 수신 성능 즉, 전체 스루풋을 증대시킬 수 있게 된다. 또한 프리앰블의 삽입 주기를 결정한 후 204단계로 진행하면 데이터 처리부(130)는 새롭게 적용된 프리앰블의 삽입 주기를 이용하여 에러가 발생한 패킷들로 어그리게이션 패킷을 생성하여 PHY 계층으로 전송한다. 이를 통해 보다 효율적으로 패킷을 전송할 수 있게 된다.

다른 한편, 212단계의 검사결과 에러가 산발적으로 분포되어 있지 않은 경우 데이터 처리부(130)는 216단계로 진행하여 마지막 패킷들에 에러가 집중적으로 분 포하는지를 검사한다. 216단계의 검사는 어그리게이션 패킷을 구성하기 위한 패킷들의 수를 결정하기 위함이다. 즉, 너무 많은 수의 패킷들로 어그리게이션 패킷을 생성하면, 마지막 패킷들에 에러가 집중될 수 있기 때문에 어그리게이션 패킷을 구성하는 패킷들의 수를 결정하기 위한 단계이다. 216단계의 검사결과 마지막 패킷에 에러가 집중적으로 분포하는 경우 데이터 처리부(130)는 218단계로 진행하여 어그리게이션 패킷의 수를 줄이고 이를 저장한다. 이후 데이터 처리부(130)는 204단계로 진행하여 오류가 발생한 패킷들을 재전송하기 위한 재전송 패킷을 구성한다.

이상에서 설명한 도 2의 방법에 대하여 전체적으로 살펴보면, 아래와 같다. 본 발명에 따른 방법은, 패킷을 어그리게이션하여 전송 구간 동안 전송하고, 어그리게이션하여 전송한 패킷 중 에러가 발생한 패킷만 선택적으로 재전송하는 것이다. 다음에 다시 패킷을 어그리게이션할 때에는 바로 전의 어그리게이션 패킷을 사용한 전송 실패 정보를 바탕으로 어그리게이션 패킷 중간에 프리앰블 삽입하는 간격을 결정하게 된다. 이때 실패정보는 Block Ack 패킷의 에러 패킷 정보로 알 수 있다. 이렇게 어그리게이션 패킷 중간에 삽입된 프리앰블을 이용해 수신단에서는 채널추정치를 새로 업데이트 할 수 있게 된다. 이렇게 간단히 송신단에서 프리앰블 삽입만으로 수신단의 채널 추정치를 개선할 수 있게 되며, 긴 어그리게이션 패킷을 사용 시 채널의 변화가 심할 경우 이 방법은 더욱 효과적이게 된다. 하지만, 프리앰블 삽입은 MAC 관점에서 오버헤드가 증가하는 것을 의미하므로 스루풋 최적인 프리앰블 삽입 간격을 찾아야 한다. 이를 위해 Block Ack의 에러 패킷 정보를 활용하는 것이며, 에러가 많이 발생하면 프리앰블 삽입 간격을 좁히고, 에러가 적게 발생 하면 프리앰블 삽입 간격을 넓혀 스루풋을 향상시킨다.

이때 수신한 Block Ack 패킷의 에러 패킷 정보를 바탕으로 에러 패킷 카운트 값이 정해진 한계치를 넘게되면 프리앰블 삽입 주기를 짧게 하고, 정해진 한계치 이하가 되면 프리앰블 삽입 주기를 넓혀서 스루풋을 개선시킨다. 또한 Block Ack 패킷의 에러 패킷 정보의 분포가 어그리게이션 패킷의 끝부분에 집중되어 있다면 어그리게이션 하는 패킷 개수를 줄여서 다음 어그리게이션 패킷부터는 에러가 적게 발생하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷의 구성도이다. 이하 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷의 구성에 대하여 살펴보기로 한다. 또한 이하의 설명에서 데이터 처리부(130)는 MAC 계층으로 설명하며, 변조/부호화부(120) 및 무선부(110)는 PHY 계층으로 설명하기로 한다.

먼저 상위 계층으로부터 MAC 계층으로 다수의 SDU들(311, 312, 313, 314, 315, 316)이 수신된다. 도 3에서는 SDU(Service Data Unit)를 MSDU로 표기하였다. 이와 같은 SDU들(311, 312, 313, 314, 315, 316)은 헤더와 CRC 검사를 위한 FCS를 포함하고 있다. MAC 계층에서는 각각의 SDU들을 이용하여 PDU(Packet Data Unit)로 구성한다. 도 3에서는 PDU들을 MPDU로 표기하였으며, 각각의 MPDU들은 해더를 포함한다. MAC 계층에서는 이와 같은 MPDU들을 이용하여 MAC 계층의 어그리게이션 패킷을 구성한다. 즉, 도 3의 실시 예에서는 첫 번째 MAC 계층의 어그리게이션 패킷(321)은 3개의 MSDU들(311, 312, 313)을 이용하여 구성하고, 두 번째 MAC 계층의 어그리게이션 패킷(322)은 2개의 MSDU들(314, 315)을 이용하여 구성하며, 세 번째 MAC 계층의 어그리게이션 패킷(323)은 하나의 MSDU(316)를 이용하여 구성한 예를 도시하고 있다. 각각의 MAC 계층 어그리게이션 패킷들(321, 322, 323)은 물리계층에서 프리앰블과 헤더를 포함하여 물리계층의 어그리게이션 패킷들(331, 332, 333)로 구성된다. 여기서 물리계층의 어그리게이션 패킷들(331, 332, 333)의 프리앰블들과 헤더들은 기본 전송률(basic rate)로 전송되며, 어그리게이션 패킷들(331, 332, 333)은 각각에 해당하는 데이터 전송률로 전송이 이루어진다.

도 4는 본 발명의 다중 프리앰블 어그리게이션 방법과 일반적인 어그리게이션 방법의 전송을 비교하기 위한 타이밍도이다. 도 4에서 (a)의 타이밍도는 일반적인 어그리게이션 방법에 따른 전송 방법이고, (b)의 타이밍도는 본 발명에 따른 다중 프리앰블 어그리게이션 방법의 타이밍도이다.

도 4를 살펴보면, t0의 시점에서 모두 어그리게이션 패킷을 전송한다. 그런데, 일반적인 어그리게이션 모드를 사용하는 경우 프리앰블이 하나만 존재하므로, 일반적인 어그리게이션 전송 시간이 짧게 된다. 즉, t1의 시점에서 패킷 송신이 완료된다. 그러나 본 발명에 따른 다중 프리앰블 어그리게이션 방법에서는 하나 이상의 프리앰블을 가지게 되므로, t2의 시점까지 전송된다. 도 4의 (b)에서는 3개의 프리앰블을 가지는 것을 예시하였다. 이와 같이 전송이 이루어지면, 초기 전송 시간에서는 비교적 손해를 볼 수 있지만, 재전송이 줄어들게 된다. 즉, 일반적인 어그리게이션 모드를 사용하는 경우 채널 변화가 심한 경우와 그렇지 않은 경우를 구별할 수 없게 되기 때문에 채널 변화가 심하더라도 동일한 방법으로 패킷의 전송이 이루어진다. 그러나, 본 발명을 적용하면, 수신기로부터 궤환된 Block Ack 패킷으로부터 채널 변화의 추이를 검출할 수 있고, 이를 이용하여 초기 전송 시간이 길어질 수 있으나, 실제로 재전송이 줄어들게 된다. 즉, 일반적인 어그리게이션 모드인 경우 재전송 시작 시점은 t3이고, 재전송의 완료 시점은 t6가 된다. 그러나 본 발명에 따른 다중 프리앰블 어그리게이션 모드를 사용하는 경우 채널 변화가 심하다면, t4의 시점에서 재전송이 이루어지나, 실제로 t5와 같이 재전송이 완료되는 시간은 짧아지게 된다.

그러면 이상에서 설명한 본 발명의 다중 프리앰블 어그리게이션 모드의 효과를 IEEE 802.11n 표준 시스템에 적용하여 살펴보기로 한다.

도 5는 패킷 전송 시 패킷 에러율과 신호대 잡음비간의 특성을 시뮬레이션 한 그래프이다.

PHY 계층에서 40MHz, 대역폭에서 2x3 MIMO-OFDM 기술을 사용하고, 64-QAM 변조와 5/6 코드 레이트 채널 코딩을 사용할 경우, 300Mbps까지 데이터 레이트를 높일 수 있다. 이때 MAC 계층에서 Block Ack 및 어그리게이션 기술을 사용할 경우 1000byte 패킷 40개를 어그리게이션 하면 MAC 계층에서는 약 210Mbps의 최대 스루풋을 얻을 수 있다. 하지만, 이것은 채널 변화가 없고, 노이즈가 작을 경우이며, 실제 채널은 항상 변하며 노이즈가 심하다. 도 5는 실험적으로 1000, 10000, 40000 byte 패킷의 PER을 각각 시뮬레이션한 결과이다. 'o', '*', 'x'는 각각 40000, 10000, 1000 byte 경우를 나타낸다. 도 5의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 40000 byte 패킷의 경우 23dB이하에서 거의 다 에러가 난다. 또한 10000byte 패킷 은 21dB 이하에서 에러가 나고, 1000byte 패킷은 19dB에서 모두 에러가 난다. 또한 10% PER을 위한 SNR이 각각 21.5dB, 22.5dB, 24.5dB이다. 이 실험 결과에서도 알 수 있듯이 20dB와 25dB 사이에서는 PER 성능이 100%에서 1%로 급변하는 신호대 잡음비 구간이며, 이러한 상황이라면 패킷의 길이가 성능에 얼마나 중요한 역할을 하는지 알 수 있다. 예를 들면, 23dB의 SNR일 경우 1000 byte 패킷은 1% PER이지만, 40000 byte 패킷의 경우 95% 이상의 에러 확률로 현격한 차이를 보인다.

도 6은 신호대 잡음비와 프리앰블 삽입 주기에 따른 스루풋 성능의 시뮬레이션 결과 그래프이다. 도 6에서 'o', '*', 'x'는 각각 1개, 4개, 40개의 프리앰블을 사용하였으며, 모두 총 40000 byte 패킷 길이를 가지는 어그리게이션 패킷을 시뮬레이션 그래프이다. 그리고 도 6에서 '+'는 일반적인 1000 byte 패킷을 사용한 Normal Ack을 사용한 경우이다. 도 6에서 그래프에 따르면, 신호대 잡음비가 25dB 이상인 채널 상황일 경우에는 프리앰블을 하나만 사용하는 것이 좋고, 22dB에서 25dB 사이에서는 4개의 프리앰블을 사용하고, 20dB에서 22dB 사이에는 40개의 프리앰블을 사용하는 것이 스루풋 성능에 좋다는 것을 알 수 있다. 여기서 Normal Ack 패킷이 물리 계층의 데이터 레이트 대비 18%의 스루풋 밖에 갖지 못 하는 이유는 매 패킷마다 패킷간 간격 및 Ack 패킷, 물리계층 프리앰블에 의한 오버해드의 증가 때문이다. 하지만, 이 경우는 1000 byte 패킷 각각이 프리앰블을 사용하므로 어그리게이션 패킷에 비해 채널 변화에 빠르게 대응하는 장점이 있다. 그러므로 스루풋 관점에서 1000byte 패킷마다 프리앰블을 삽입한 경우의 어그리게이션 패킷의 경우, 즉 'x'의 경우가 '+'보다 스루풋이 높은 지점까지 어그리게이션이 효과적이라고 말 할 수 있다. 이때 요구되는 신호대 잡음비를 두고 보면 Normal Ack 1000 byte 경우보다 어그리게이션을 사용한 1000byte 마다 프리앰블 삽입한 경우가 50Mbps 스루풋을 내기 위해 필요한 신호대 잡음비가 약 3dB 낮음을 알 수 있으므로 여전히 어그리게이션이 효과적임을 알 수 있다.

본 발명 장치를 사용하지 않는다면 일정 신호대 잡음비 이하로 채널 상황이 나빠지면 스루풋이 크게 떨어지는 현상이 발생할 수 있지만 본 발명은 채널 적응형 패킷 생성 장치 및 채널 추정치 업데이트 방법을 사용하여 예시의 경우 약 5dB 정도의 성능 개선 효과를 얻을 수 있었다.

다음으로 본 발명을 이용한 MAC의 스루풋 효율이 어느 정도 향상되는지를 분석은 하기 <수학식 1>과 같이 계산할 수 있다.

상기 <수학식 1>에서 스루풋(throughput)은 전송하는 데이터 페이로드의 길이를 전송하는데 소요되는 시간으로 나눈 값이다. 이때 데이터를 전송하는데 소요되는 시간은 패킷간 간격 및 헤더, 프리앰블을 포함한 오버헤드와 데이터를 전송하는데 소요되는 시간을 포함하므로 이는 하기 <수학식 2>와 같이 표현할 수 있다.

그러면 상기 <수학식 1>과 상기 <수학식 2>를 바탕으로 MAC 계층의 스루풋 효율성은 하기 <수학식 3>과 같이 표현할 수 있다.

상기 <수학식 3>은 MAC 계층의 스루풋을 PHY 계층의 데이터 레이트로 나눈 값이 된다. 예를 들어 1000 byte 패킷 40개를 어그리게이션하여 40000 byte 패킷을 전송한다고 할 때, 종래의 기술은 어그리게이션 패킷을 그대로 보내므로 A-MPDU(40000)을 보내고 에러가 발생한 10개의 패킷 그룹 A-MPDU(10000)을 재전송하게 된다. 이러한 경우의 시간은 하기 <수학식 4>와 같이 계산된다.

하지만 본 발명을 사용하면 하기 <수학식 5>와 같이 4개의 A-MPDU(10000)마 다 각각 프리앰블을 삽입하여 보내게 된다.

따라서 <수학식 5>와 같이 어그리게이션 패킷을 전송하면, 보다 채널 변화에 잘 적응하게 되어 1개의 패킷만 재전송하면 되므로 A-MPDU(1000)만 재전송한다. 결과적으로 이 예시에서는 프리앰블 3개(32us x 3)를 더 삽입하여 9000 byte에 해당하는 데이터를 40MHz 대역폭에 2x3 MIMO에 64QAM, 5/6 code rate 변조 방식을 사용하여 전송하면, 시간면에서, 대략 250us의 이득을 볼 수 있었다.

도 1은 본 발명이 적용된 무선 통신 장치의 기능적 블록 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 데이터 처리부에서 패킷의 송신 시 제어 흐름도,

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷의 구성도,

도 4는 본 발명의 다중 프리앰블 어그리게이션 방법과 일반적인 어그리게이션 방법의 전송을 비교하기 위한 타이밍도,

도 5는 패킷 전송 시 패킷 에러율과 신호대 잡음비간의 특성을 시뮬레이션 한 그래프,

도 6은 신호대 잡음비와 프리앰블 삽입 주기에 따른 스루풋 성능의 시뮬레이션 결과 그래프.

Claims

무선 통신 시스템에서 패킷 데이터의 송신 장치에 있어서,

수신측으로부터 궤환된 어그리게이션 패킷의 수신에 대한 응답 신호에 의거하여, 삽입할 프리앰블의 개수를 결정하고, 상위 계층으로부터 수신된 패킷들에 상기 결정된 프리앰블 개수만큼 프리앰블을 삽입하여 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 생성하는 맥(MAC) 계층; 및

상기 생성된 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 물리계층 패킷으로 구성하여 송신하는 물리계층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 물리계층은,

상기 생성된 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 변조 및 부호화하는 변조/부호화부; 및

상기 변조 및 부호화된 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 전송 대역의 무선 신호로 변환하여 안테나를 통해 전송하는 무선부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 응답 신호는,

블록 응답(Block Ack) 신호임을 특징으로 하는 송신 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 맥 계층은,

상기 수신측으로부터 궤환된 상기 어그리게이션 패킷의 수신에 대한 응답 신호로부터 에러가 발생한 패킷의 수를 검사하고, 상기 에러가 발생한 패킷의 수가 임계값 미만인 경우, 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에서 프리앰블 삽입 주기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 맥 계층은,

상기 응답 신호로부터 에러가 발생한 패킷의 수가 임계값 이상이고, 마지막에 전송된 패킷에 에러가 집중되어 있는 경우, 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에 포함할 맥 계층 패킷의 수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 맥 계층은,

상기 응답 신호로부터 에러가 발생한 패킷의 수가 임계값 이상이고, 산발적으로 에러가 분포한 경우, 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에서 상기 프리앰블 삽입 주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
무선 통신 시스템에서 패킷 데이터의 송신 방법에 있어서,

수신측으로부터 궤환된 어그리게이션 패킷의 수신에 대한 응답 신호에 의거하여, 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에 삽입할 프리앰블의 개수를 결정하는 과정; 및

상위 계층으로부터 수신된 패킷들에 상기 결정된 프리앰블 개수만큼 프리앰블을 삽입하여 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 생성하고, 상기 생성된 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷을 송신하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 응답 신호는,

블록 응답(Block Ack) 신호임을 특징으로 하는 송신 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 프리앰블 개수의 결정은,

상기 수신측으로부터 궤환된 상기 어그리게이션 패킷의 수신에 대한 응답 신호로부터 에러가 발생한 패킷의 수를 검사하고, 상기 에러가 발생한 패킷의 수가 임계값 미만인 경우, 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에서 프리앰블 삽입 주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 송신 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 응답 신호로부터 에러가 발생한 패킷의 수가 임계값 이상이고, 마지막에 전송된 패킷에 에러가 집중되어 있는 경우, 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에 포함될 맥 계층 패킷의 수가 감소되는 것을 특징으로 하는 송신 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 프리앰블 개수의 결정은,

상기 응답 신호로부터 에러가 발생한 패킷의 수가 임계값 이상이고, 산발적으로 에러가 분포한 경우, 상기 다중 프리앰블 어그리게이션 패킷에서 상기 프리앰블 삽입 주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 송신 방법.