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KR101846013B1 - 인지 무선 tdma 기반 1 대 n 통신 시스템 - Google Patents

인지 무선 tdma 기반 1 대 n 통신 시스템 Download PDF

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KR101846013B1
KR101846013B1 KR1020170057317A KR20170057317A KR101846013B1 KR 101846013 B1 KR101846013 B1 KR 101846013B1 KR 1020170057317 A KR1020170057317 A KR 1020170057317A KR 20170057317 A KR20170057317 A KR 20170057317A KR 101846013 B1 KR101846013 B1 KR 101846013B1
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South Korea
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communication
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KR1020170057317A
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전호석
김도경
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엘아이지넥스원 주식회사
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Abstract

인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템을 공개한다. 본 발명은 기존과 같이 인지 무선망 기지국을 중심으로 1 대 N 토폴로지를 구성하여 1홉 범위의 통신을 지원하면서, 추가로 사운딩 채널을 운용하여 수평적 및 수직적 단말기간 통신을 지원할 수 있도록 구성되어, 단말기간 통신을 위해 기지국을 거쳐야 하는 번거로움을 줄이고 네트워크 전송 속도와 전송 효율성을 크게 증대 시킬 수 있다. 또한 단말기간 2홉 중계를 지원함으로써, 기존에 주사용자에 대한 주파수 간섭을 최소화하기 위해 기지국과 단말기간 출력을 제한함으로써 감소된 통달 거리를 송신 출력을 최소화하면서도 확장시킬 수 있다.

Description

인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템{POINT TO MULTI-POINT COMMUNICATION SYSTEM IN TDMA BASED COGNITIVE RADIO}
본 발명은 1 대 N 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템에 관한 것이다.
최근 전파 이용이 무선 인터넷, 전자 상거래, 교통, 재난 구조 등 생활 전 분야로 확대되고 광대역 멀티미디어 이용 수요가 증가함에 따라 주파수의 부족 문제가 대두되고 있으며, 이러한 유비쿼터스 정보화 사회의 도래와 함께 한정된 주파수 자원에 대한 수요가 증가됨에 따라 이를 효율적으로 이용하기 위한 기술이 더욱 각광을 받고 있다. 그리고 전술 환경이 네트워크 중심으로 이동하고 있는 군사 분야에서도 상기한 주파수 자원의 수요에 대한 문제가 매우 심각하게 부각되고 있어, 전술통신환경에서 무선 단말의 생존성, 기동성, 유연성을 보장하는 첨단의 전투무선망 무선주파수 공유기술이 필요한 실정이다.
이에 주파수 자원 부족 문제 해결과 이미 할당된 주파수 자원의 효율적 사용을 위해 인지 무선(CR: Cognitive Radio)과 같은 주파수 공유 기술이 부각되고 있다. 인지 무선 기술(CR)은 주파수 대역을 능동적으로 인지하고 다른 사용자에 의해 점유되지 않은 채널을 찾아 이용하는 기술을 의미한다.
인지 무선 기술(CR)에서는 주파수 자원에 대해 정당한 권리(라이센스)를 가지는 주 사용자(Primary User, PU)와 정당한 권리를 갖지 않은 부사용자(Secondary User, SU)를 설정한다. 그리고 인지 무선 기술(CR)은 주 사용자(PU)가 권리를 갖는 주파수 자원 중 주 사용자(PU)가 현재 점유하고 있지 않은 주파수 자원을 탐지하여 부사용자(SU)가 사용할 수 있도록 할당함으로써, 주파수 이용 효율을 극대화할 수 있다. 즉 인지 무선 기술은 정당한 권리를 획득하여 주파수 대역을 할당받아 사용하는 주 사용자(PU)가 할당된 주파수 대역에서 공간적, 시간적으로 미사용 중인 주파수 채널을 찾아, 부 사용자(SU)가 이용할 수 있도록 하는 기술이다.
인지 무선 기술(CR)에서 가장 중요한 이슈는 주 사용자(PU)가 부 사용자(SU)의 주파수 자원 이용으로 인해 피해를 입어서는 안된다는 점이다. 즉 부 사용자(SU)는 주 사용자(PU)가 점유하고 있지 않는 주파수 내에서 주 사용자(PU) 간섭을 최소화할 수 있는 주파수 범위 내에서 주파수 자원을 이용해야 한다.
인지 무선망은 일반적으로, 집중형(centralized) 구조와 분산형(distributed) 구조로 구분된다. 집중형 구조는 기지국(MSN : Master Node 또는 BS : Base Station)과 같은 중앙 유닛(central unit)을 가지는데, 중앙 유닛이 무선 환경에 관한 정보를 수집하고, 수집된 무선 환경 정보를 이용하여 기지국(MSN)의 커버리지 영역 안에 있는 부사용자(SU)들 간의 통신을 관리한다.
반면, 분산형 구조, 즉 분산형 인지 무선망(DCRNs, distributed cognitive radio networks)는 부사용자(SU)들 간에 피어투피어(P2P, peer-to-peer) 네트워크를 형성하여 무선 환경의 채널 상황을 감지하고, 채널의 사용을 위한 협상을 수행한다.
현재 군사 분야에서 인지 무선 기술은 TMDA 기반으로 1홉(hop) 범위에서 1개의 기지국(MSN : Master Node 또는 BS : Base Station)과 N개의 단말기(SLN : Slave Node 또는 MS : Mobile Station) 간의 1:N (Point to Multipoint topology, Star topology) 구조를 기반으로 운용되는 무선 네트워크에 적용되어 운용되도록 구성된다. 즉 집중형 인지 무선망으로 구성된다.
TMDA 기반으로 1홉(hop) 범위에서 1:N 구조의 인지 무선망은 단말기간 직접 통신을 지원하지 않으므로, 반드시 기지국(MSN)을 통해서 통신이 가능하다. 이에 따라 단말기간 통신 시에도 기지국을 거쳐야 하는 번거로움이 존재할 뿐만 아니라 네트워크 전송 지연 및 효율성이 감소와 같은 문제가 발생한다. 또한 주사용자(PU)와의 주파수 간섭을 최소화하기 위해 인지 무선망에서의 기지국(MSN) 및 단말기(SLN)의 송신 출력 제한에 따른 통달 거리가 감소하는 문제가 발생한다.
한국 등록 특허 제10-1272282호 (2013.05.31 등록)
본 발명의 목적은 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신에서 단말기간 통신 및 2홉 중계 통신이 가능한 통신 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 통신 시스템은 무선 자원인 주파수를 할당받아 통신을 수행하는 복수개의 1차 단말기; 및 망관리기에 기저장된 주 사용자의 주파수 채널 이용 현황을 인가받아, 복수개의 주파수 채널 중 상기 주 사용자에 대한 간섭을 회피하면서 사용 가능한 주파수 채널을 스캔한 스캔 결과를 획득하여 인지 무선망을 제어하기 위한 공통 제어 채널을 설정하고, 상기 공통 제어 채널을 통한 공통 제어 채널 프레임을 이용하여, 상기 복수개의 1차 단말기와 동기화 및 랑데부를 수행하며, 랑데부된 적어도 하나의 상기 1차 단말기로부터 무선 자원 요청이 수신되면, 상기 무선 자원 요청에 대응하는 상기 무선 자원을 할당하는 기지국; 을 포함하고, 상기 기지국 및 상기 복수개의 1 차 단말기는 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 기반으로 서로 다른 주파수 채널로 통신 가능한 복수개의 프레임을 포함하는 슈퍼프레임 구조로 통신을 수행하며, 상기 기지국은 랑데부된 적어도 하나의 상기 1차 단말기로부터 단말간 통신 요청이 수신되면, 상기 1차 단말기 사이의 직접 통신이 가능하도록 상기 프레임 또는 상기 프레임을 기설정된 시간 단위 및 주파수 단위로 구분한 자원 블록 단위로 할당하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템은 기존과 같이 인지 무선망 기지국을 중심으로 1 대 N 토폴로지를 구성하여 1홉 범위의 통신을 지원하면서, 추가로 사운딩 채널을 운용하여 수평적 및 수직적 단말기간 통신을 지원할 수 있도록 구성되어, 단말기간 통신을 위해 기지국을 거쳐야 하는 번거로움을 줄이고 네트워크 전송 속도와 전송 효율성을 크게 증대 시킬 수 있다. 또한 단말기간 2홉 중계를 지원함으로써, 기존에 주사용자에 대한 주파수 간섭을 최소화하기 위해 기지국과 단말기간 출력을 제한함으로써 감소된 통달 거리를 송신 출력을 최소화하면서도 확장시킬 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템의 구조를 나타낸다.
도2 는 도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 방법을 나타낸다.
도3 은 도2 의 공통 제어 채널 설정 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도4 및 도5 는 도2 의 링크 동기화 및 랑데부 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도6 은 본 발명의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신에 적용되는 TDMA 프레임 구조의 일예를 나타낸다.
도7 및 도8 은 도2 의 채널 상황 스캔 단계 및 주파수 관리 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도9 는 도2 의 무선 자원 할당 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도10 은 무선 자원 추가 할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도11 은 동일 채널 내에서 단말간 통신을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도12 는 이종 채널에서 단말간 통신을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"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", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템의 구조를 나타낸다.
도1 을 참조하면, 본 발명의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템은 우선 기존과 동일하게 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)를 구비하여, 스타 토폴로지(Star topology)를 구성한다. 그러나 본 발명은 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)간의 통신 시에도 반드시 기지국(MSN)를 통해서만 통신이 수행 가능한 기존의 통신 시스템과 달리 1차 단말기(S11 ~ S1N)간 직접 통신 기능을 제공한다. 즉 1차 단말기(S11 ~ S1N)간 수평적 단말기간(Device to Device : D2D) 중계 통신을 제공한다. 도1 에서는 일예로 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 중 제5 및 제6 1차 단말기(S15, S16)가 상호 직접 통신을 수행하는 상태를 나타내고 있다. 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)을 거치지 않고 상호 수평적 D2D 중계 통신을 수행할 수 있도록 구성됨에 따라 기지국(MSN)에 대한 부하가 경감되어 네트워크 전송 속도와 전송 효율성을 크게 증대 시킬 수 있다.
한편 본 발명에 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)와 직접 통신을 수행하지 않는 적어도 하나의 2차 단말기(S2i)와 통신을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 1차 단말기(S11 ~ S1N)와 2차 단말기(S2i) 사이에 수직적 D2D(Device to Device) 중계 통신을 제공한다. 도1 에 도시된 바와 같이, 수직적 D2D 중계 통신은 1차 단말기(S13)가 2차 단말기(S2i)로서 역할을 수행하도록 구성되고, 기지국(MSN)과 직접 통신을 수행하지 않는 2차 단말기(S2i)는 또 다른 1차 단말기(S14)와도 통신을 수행할 수 있으므로, 결과적으로 인지 무선 TDMA 기반 통신 시스템이 기존에 1홉(Hop) 범위에서 2홉 범위로 중계 단말기간 통신을 수행할 수 있게 되어 서비스 범위가 확장되는 효과를 유발할 수 있다.
본 발명에서 수평적 및 수직적 단말기간 직접 통신은 동일 채널뿐만 아니라 이종 채널에서도 수행될 수 있다.
도1 에서 망 관리기(NMU)은 인지 무선망(CR)을 위해 미리 구축되는 일종의 데이터베이스로서, 주 사용자(PU)의 공간적, 시간적 할당 주파수 대역 이용 현황 및 주파수 사용 규칙이 저장된다. 망 관리기(NMU)는 기존의 인지 무선망(CR)에서도 이미 구축된 구성요소로서, 기지국(MSN)에 포함되어 구현될 수도 있다.
도2 는 도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 방법을 나타낸다.
도2 의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 방법은 크게 인지 무선망 구성 단계(S100) 및 단말기간 통신 지원 단계(S200)로 구성된다. 인지 무선망 구성 단계(S100)는 기존의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신을 수행하기 위한 방법으로 기존과 동일한 방법으로 진행된다. 그리고 단말기간 통신 지원 단계(S200)는 기존의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신에서 기지국(MSN)을 통하지 않고 단말기간 직접 통신을 제공하기 위해 본 발명에서 추가되는 단계이다.
도1 을 참조하여, 도2 의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 방법을 설명하면, 우선 인지 무선망 구성 단계(S100)에서 기지국(MSN)이 1 대 N 스타형 토폴로지를 구성하기 위한 공통 제어 채널(fc)을 설정한다(S110). 기지국(MSN)은 망관리기(NMU)에 미리 저장된 주 사용자(PU)의 공간적, 시간적 할당 주파수 대역 이용 현황 및 주파수 사용 규칙 등을 분석하여, 사용 가능한 채널 정보를 획득하고, 획득된 채널 정보를 이용하여 사용 가능한 주파수 채널을 스캔함으로써, 공통 제어 채널(fc)을 설정할 수 있다. 그리고 설정된 공통 제어 채널(fc)을 이용하여 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 사이에 상향 및 하향 링크를 동기화하여 랑데부 과정을 수행한다(S120). 기지국(MSN)은 랑데부 과정을 통해 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)를 인지 무선망에 포함시킬 수 있다.
기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 사이에 링크가 동기화되고 랑데부되면, 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)는 현재 주파수 자원을 할당받아 선점 사용하고 있는 주사용자(PU)와 인지 무선망의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 사이의 주파수 간섭을 회피하기 위해 기설정된 주기로 채널 상황에 대해 스캔을 수행한다(S130). 이때, 채널 상황에 대한 스캔은 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)이 함께 수행할 수도 있으나, N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)만이 수행하도록 구성될 수도 있다.
기지국(MSN)은 스캔된 채널 상황 정보를 기반으로 주사용자(PU)에 대한 간섭 및 주파수 재할당 시간을 최소화하기 위해 주파수 관리를 수행한다(S140). 그리고 주사용자(PU)에 영향을 미치지 않는 주파수를 사전에 확인하여 관리한다. 기지국(MSN)은 인지 무선망에서의 1차 단말기(S11 ~ S1N)의 채널 특성을 고려하여, 주사용자(PU)에 영향을 미치지 않는 주파수를 분석하여 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 재할당하기 위한 주파수로 설정한다(S150).
이후 기지국(MSN)은 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 중 적어도 하나의 1차 단말기로부터 무선 자원 요청이 수신되는지 판별한다(S160). 만일 무선 자원 요청이 수신되면, 기지국(MSN)은 설정된 재할당 주파수를 무선 자원을 요청한 1차 단말기에 할당하여, 해당 1차 단말기가 통신을 수행하도록 한다(S170). 이때 재할당 주파수를 할당받은 1차 단말기는 기지국(MSN)을 통해 통신을 수행할 수 있다.
한편, 단말기간 통신 지원 단계(S200)에서 기지국(MSN)은 단말기간 직접 통신을 지원하기 위한 사운딩 채널을 운용한다(S210). 본 발명에서는 설명의 편의를 위해, 기지국(MSN)이 사운딩 채널을 운용하는 단계(S210)가 인지 무선망 구성 단계(S100) 이후의 별도 단계로 도시되었으나, 사운딩 채널을 운용하는 단계(S210)는 주파수 관리 단계(S140) 이후의 인지 무선망 구성 단계(S100)에서 수행되어도 무방하다.
그리고 기지국(MSN)은 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 중 적어도 하나의 1차 단말기(일예로 도1 에서는 S15)로부터 단말기간 통신 요청이 수신되는지 판별한다(S220). 만일 적어도 하나의 1차 단말기로부터 단말기간 통신 요청이 수신된 것으로 판별되면, 기지국(MSN)은 통신 요청을 전달한 1차 단말기(S15)로 사운딩 채널을 할당하고, 1차 단말기(S15)가 통신하고자 하는 1차 단말기(일예로 도1 에서는 S16)로 사운딩 채널 수신 명령을 전달하여, 1차 단말기(S16)가 단말기간 통신 대상임을 인지하도록 한다(S230). 사운딩 채널이 할당되고, 2개의 1차 단말기(S15, S16)가 단말기간 통신을 인지한 상태에서, 우선 단말기간 통신을 요청한 1차 단말기(S15)가 통신 대상인 1차 단말기(S16)로 사운딩 신호를 송신하고, 통신 대상인 1차 단말기(S16)는 사운딩 신호를 수신하여, 신호의 품질을 측정하여 측정 결과를 기지국(MSN)으로 전송한다(S240).
기지국(MSN)은 사운딩 신호의 품질 측정 결과를 인가받아, 단말기간 통신 품질을 향상시키기 위한 모뎀 파라미터 튜닝 정보를 생성하고, 생성된 모뎀 파라미터 튜닝 정보를 단말기간 통신을 요청한 1차 단말기(S15)로 전송한다(S250). 이에 1차 단말기(S15)는 모뎀 파라미터 튜닝 정보에 따라 모뎀 파라미터를 튜닝하고, 단말기간 통신을 위한 무선 자원을 기지국(MSN)으로 요청하고, 기지국(MSN)은 2개의 1차 단말기(S15, S16)가 단말기간 통신을 수행할 수 있도록 무선 자원을 할당한다(S260). 2개의 1차 단말기(S15, S16)는 할당된 무선 자원을 이용하여 단말기간 통신을 수행한다(S270).
상기에서는 단말기간 통신 지원 단계(S200)가 2개의 1차 단말기(S15, S16)간 직접 통신을 수행하는 수평적 단말기간(D2D) 통신을 지원하는 방법에 대해 설명하였으나, 도1 에 도시된 바와 같이, 단말기간 통신 지원 단계(S200)는 1차 단말기(S13)가 적어도 하나의 2차 단말기(S2i)를 통해 다른 1차 단말기(S14)와 중계 통신을 수행하는 경우에도 유사하게 적용될 수 있다. 다만, 사운딩 채널을 송신 및 수신하여 신호 품질을 측정하는 단계(S240) 및 단말기간 통신을 수행하는 단계(S270)에서 2개의 1차 단말기(S13, S14)는 직접 통신을 수행하지 않고, 2차 단말기(S2i)를 통한 중계 통신을 수행한다.
이하에서는 도1 및 도2 를 참조하여, 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템의 상세 동작 및 프레임 구조를 설명한다.
도3 은 도2 의 공통 제어 채널 설정 단계를 설명하기 위한 도면이다.
상기한 바와 같이, 현재 군사용으로 이용되는 TMDA 기반 1홉(hop) 범위에서 1:N 구조의 인지 무선망은 집중형 인지 무선망으로 구성되므로, 기지국(MSN)은 공통 제어 채널(fc)을 설정하기 위해 무선 환경에서 주 사용자(PU)에 의한 채널 상황을 스캔한다.
기지국(MSN)은 주 사용자(PU)가 권리를 갖는 주파수 대역 내의 M개의 주파수 채널(f1, f2, … fM) 중 주 사용자(PU)가 이용하지 않는 k(k < M)개의 주파수 채널(f1, f2, … fk)에 대한 정보를 망 관리기(NMU)로부터 인가받는다.
그리고 기지국(MSN)은 도3 에 도시된 바와 같이, 망 관리기(NMU)에서 제공되는 주파수 채널 정보에 따라 N개의 주파수 채널(f1, f2, … fN) 중 k개의 주파수 채널(f1, f2, … fk)에 대한 스캐닝을 수행하여, 주 사용자(PU)의 신호를 감지함으로써, 현재 주사용자(PU)가 사용 중인 주파수 채널을 확인하고, k개의 주파수 채널(f1, f2, … fk) 중 주사용자(PU)가 사용하지 않는 주파수 채널, 즉 주 사용자(PU)에 대한 간섭을 회피할 수 있는 주파수 채널을 분석하여, 공통 제어 채널(fc)를 설정한다(S110).
기지국(MSN)이 망 관리기(NMU)에서 제공되는 주파수 채널 정보에 따라 M개의 주파수 채널(f1, f2, … fM) 중 k개의 주파수 채널(f1, f2, … fk)에 대해서만 스캐닝을 수행하므로, 기지국(MSN)은 인지 무선망(CR)의 망 초기화 시간을 감소 시킬 수 있다.
도3 에서 k개의 주파수 채널(f1, f2, … fk) 각각에 대한 x축과 y축은 시간의 경과에 따른 주파수 스펙트럼을 나타낸다.
도4 및 도5 는 도2 의 링크 동기화 및 랑데부 단계를 설명하기 위한 도면이다.
기지국(MSN)은 공통 제어 채널(fc)이 설정되면, 공통 제어 채널(fc)을 이용하여, N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 미리 지정된 패턴(또는 코드)을 갖는 프리앰블(Preamble)과 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP) 및 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP)를 프레임에 포함하여 전송한다.
본 발명에서 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 및 적어도 하나의 2차 단말기(S2i)는 도4 및 도5 에 도시된 바와 같이, 각각 복수개의 프레임을 포함하는 슈퍼프레임 구조로 통신을 수행한다. 복수개의 프레임 각각은 서로 다른 주파수 채널을 이용할 수 있으며, 동일 프레임 내에서는 동일 주파수 채널을 이용할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 본 발명에서는 공통 제어 채널(fc)를 이용하여 전송되는 프레임을 공통 제어 채널 프레임이라하고, fc의 기호를 표시하였다. 그리고 공통 제어 채널 프레임(fc)를 제외한 나머지 주파수 채널을 이용하는 프레임은 F# 으로 표현하였다. 여기서 #은 각 프레임이 이용하는 주파수 채널의 넘버링을 의미한다.
한편 도5 에 도시된 공통 제어 채널 프레임의 구조에서 가로 축은 시간을 의미하고, 세로 축은 주파수를 의미한다. 본 발명은 기본적으로 TDMA(Time Division Multiple Access)를 기반으로 운용되어, 하나의 슈퍼프레임 내에서 복수개의 프레임은 각각 시간 구간으로 구분되어 전송된다.
그러나 본 발명은 TDMA 기반 하에서 각 프레임 내부의 데이터를 TDD(Time Division Duplex) 및 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 방식으로 전송하도록 구성된다.
슈퍼프레임에 포함된 복수개의 프레임 각각은 TDD 방식에 따라 시간 축을 기준으로 하향링크 구간(DLA)과 상향링크 구간(ULA)으로 구분될 수 있으며, 하향링크 구간(DLA)에서는 기지국(MSN)이 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 데이터를 전송할 수 있고, 상향링크 구간(ULA)에서는 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)으로 데이터를 전송할 수 있다. 즉 하나의 프레임 구간 내에서 시간을 기준으로 구분하여 상향 및 하향 전송이 모두 수행될 수 있다.
그리고 하향링크 구간(DLA)과 상향링크 구간(ULA)에서도 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 방식으로 시간 및 주파수 단위로 구분하여, 세부 시간 구간에 각 주파수별로 상이한 데이터를 전송할 수 있도록 구성된다. SC-FDMA는 OFDM 방식의 대표적인 단점인 피크 대 평균 전력 비(Peak to Average Power Ratio : PAPR)가 높다는 문제를 해결하기 위해 제안된 통신 방식으로, OFDM 방식에 비해 2~3dB PAPR을 향상시킬 수 있으며, CFO(Carrier Frequency Offset)와 신호대 잡음비(SN)에 의한 영향을 감소시킬 수 있다.
도5 에서는 일예로 각 프레임을 SC-FDMA 방식에 따라 시간 축 방향으로 20개의 시간 단위로 구분하고, 주파수는 16개의 SC(Single Carrier) 주파수 단위로 구분되는 것으로 도시하였다. 그리고 20개의 시간 단위 중 앞선 10개의 시간 단위가 하향링크 구간(DLA)이고, 이후 10개의 시간 단위가 상향링크 구간(ULA)인 것으로 도시하였으나, 하향링크 구간(DLA)과 상향링크 구간(ULA)의 길이는 가변될 수 있으며, SC 주파수 단위의 개수 또한 조절 될 수 있다.
각 프레임에서 시간 단위 및 SC 주파수 단위로 구분되는 각각의 블록은 적어도 하나의 1차 단말기에 분할되어 할당될 수 있는 무선 자원을 나타내는 자원 블록으로서, 기지국(MSN)은 상향링크 또는 하향링크 전송을 수행하고자 하는 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 개별적으로 할당되어 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)과 통신을 수행할 수 있도록 한다. 즉 복수개의 자원 블록 각각이 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 개별적으로 할당될 수 있다. 상기한 바와 같이, 본 발명은 SC-FDMA 방식을 이용하기 때문에 하나의 주파수 채널을 이용하는 동일 프레임 내의 주파수를 단일 캐리어 단위인 SC 주파수 단위로 구분하여 서로 다른 1차 단말기에 할당할 수 있다. 즉 기지국(MSN)은 하나의 주파수 채널을 SC 주파수 단위로 구분하여, 복수개의 1차 단말기에 재할당 할 수 있다.
본 발명에서 기지국(MSN)은 모든 프레임의 하향링크 구간(DLA)의 첫번째 시간 단위에서 주파수 채널의 모든 주파수에 프리앰블(Preamble)을 전송하고, 다음 기설정된 개수(도4 에서는 일예로 3개)의 시간 단위에서 각각 기설정된 개수(도4 에서는 일예로 3개)의 SC 주파수 단위에 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP)와 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)를 포함하여 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 전달한다. 하향링크 구간(DLA)의 나머지 영역은 하향링크 전송 영역으로 하향링크 데이터를 전송하기 위한 영역으로, 기지국(MSN)은 동기화 초기에 하향링크 전송 영역을 데이터를 전송하지 않는다.
한편, 도4 에 도시된 바와 같이, N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 각각은 M개의 주파수 채널(f1, f2, … fM)을 랜덤하게 또는 순차적으로 스캐닝하여 지정된 프리앰블이 포함된 공통 제어 채널 프레임을 탐색하고, 공통 제어 채널 프레임이 전송되는 주파수 채널을 확인하여, 공통 제어 채널(fc)을 판별한다. 그리고 공통 제어 채널(fc)이 판별되면, N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)는 프리앰블을 이용하여 하향 링크에 대한 동기화(Synchronization)를 수행하며, 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP) 및 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)를 분석하여, 해당 기지국(MSN)의 인지 무선망에 포함될지 여부를 결정하기 위한 Ranging 구간 정보를 획득한다. 즉 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 각각은 공통 제어 채널 프레임에서 기지국(MSN)으로부터 데이터가 전송되지 않는 하향링크 전송 영역 구간 동안 해당 기지국(MSN)의 인지 무선망에 포함될지 여부를 판별한다.
그리고 Ranging 구간 정보를 획득한 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)는 획득된 Ranging 구간 정보를 분석하여, 인지 무선망에 포함되는 것으로 판별되면, 공통 제어 채널 프레임의 상향링크 구간(ULA)의 첫번째 시간 단위에서 모든 주파수를 통해 기지국(MSN)으로 Ranging Request를 전달하여, 인지 무선망에 포함되는 것을 요청한다. Ranging Request가 포함되는 상향링크 구간(ULA)의 첫번째 시간 단위는 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)으로 무선 자원을 요청하는 상향 링크 자원 요청(UL Request) 구간이다.
여기서 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP)는 하향링크 구간(DLA)에서 프리앰블(Preamble)을 제외한 나머지 자원 블록에 대한 할당 내역을 설정하는 정보로서, 하향 무선 자원이 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 할당된 상태를 제공하는 정보이다. 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP)에서 각각의 블록은 하향링크 구간(DLA)에서 프리앰블(Preamble)을 제외한 나머지 영역에서 대응하는 자원 블록 영역에 맵핑되는 형태로 할당 정보를 제공할 수 있으나, 특정 자원 블록들을 지정하는 형태로 할당 정보를 제공할 수도 있다.
그리고 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)는 상향링크 구간(ULA)에서 상향 링크 자원 요청(UL Request) 구간을 제외한 나머지 자원 자원 블록에 대한 할당 내역을 설정하는 정보이다. 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)에서 각각의 블록은 상향링크 구간(ULA)에서 상향 링크 자원 요청(UL Request) 구간을 제외한 나머지 영역에서 대응하는 자원 블록 영역에 맵핑되는 형태로 할당 정보를 제공하거나, 특정 자원 블록들을 지정하는 형태로 할당 정보를 제공할 수도 있다.
기지국(MSN)은 1차 단말기(S11 ~ S1N)로부터 Ranging Request가 전송되면, 다음 공통 제어 채널 프레임의 하향링크 전송 영역에 Ranging Response를 포함하여 전송하여 1차 단말기와 랑데부를 수행한다. 여기서 Ranging Response는 공통 제어 채널 프레임의 하향링크 구간(DLA)에서 프리앰블(Preamble) 다음 기설정된 개수(도4 에서는 일예로 3개)의 시간 단위에서 기설정된 개수(도4 에서는 일예로 3개)의 SC 주파수 단위에 포함되어 전송된다. 도4 에서는 일예로 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP) 및 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)와 동일하게 3개의 시간 단위로 3개의 SC 주파수 단위에 Ranging Response가 포함되어, 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP) 및 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)와 동일한 시간 단위에 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 전송되는 것으로 가정하였다.
이때 Ranging Request와 Ranging Response는 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 각각을 구분할 수 있도록 식별자로서 직교 코드(Orthogonal Code)를 사용하여 전송될 수 있다. 그리고 기지국(MSN)은 Ranging Response에 PHY 레이어(Physical Layer)를 튜닝하기 위한 정보를 포함하여 전송할 수 있다. 또한 기지국(MSN)은 Ranging Request가 전송되면, 인증 작업을 수행하고 Ranging Response를 전송함으로써 랑데부를 수행할 수도 있다. 즉 기지국(MSN)은 Ranging Request를 전송한 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 대해 인증(Authentication), 허가(authorization) 및 등록(registration) 작업을 수행한 이후, Ranging Response를 전송할 수 있다.
도6 은 본 발명의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신에 적용되는 TDMA 프레임 구조의 일예를 나타낸다.
기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S1 ~ SN)가 동기화되고 랑데부되면, 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S1 ~ SN)는 공통 제어 채널(fc)과 공통 제어 채널(fc) 이외의 채널 통해 통신을 수행할 수 있다. 이 경우에도 본 발명은 복수개의 프레임을 포함하는 슈퍼프레임 구조로 통신을 수행한다. 다만 동기화 이전에는 슈퍼프레임 내의 모든 프레임이 공통 제어 채널(fc)을 통해 전달되는 공통 제어 채널 프레임만으로 구성되었으나, 동기화 및 랑데부 이후에는 슈퍼프레임의 첫 프레임만이 공통 제어 채널 프레임으로 구성되고, 나머지 프레임은 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP)와 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)에 따라 할당된 주파수 채널을 이용하여 통신을 수행하는 데이터 프레임으로 구성된다.
데이터 프레임의 구조는 기본적으로 공통 제어 채널 프레임과 동일하게 구성된다. 즉 각각의 데이터 프레임에는 하향링크 구간(DLA)과 상향링크 구간(ULA)이 포함되고, 하향링크 구간(DLA)에는 프리앰블(Preamble)과 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP)와 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)가 포함된다. 하향링크 구간(DLA)의 나머지 영역은 기지국(MSN)이 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 SC-FDMA 방식으로 데이터를 전송하는 영역으로 하향 데이터 전송 구간(DL)이다.
다만 공통 제어 채널 프레임에서 상향링크 구간(ULA)의 첫번째 시간 단위는 Ranging Request가 포함되는 영역으로, 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)으로 인지 무선망에 참여할 것을 요청하는 구간이나, 데이터 프레임에서는 상향 링크 자원 요청(UL Request)을 포함하는 영역으로 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 중 기지국(MSN)으로 상향 통신을 수행하고자 하는 1차 단말기가 기지국(MSN)으로 상향 링크 자원을 요청하는 영역이다. 상향 링크 자원 요청(UL Request)도 Ranging Request와 마찬가지로 1차 단말기 식별을 위한 직교 코드가 사용되어 전송될 수 있다.
상향링크 구간(ULA)의 나머지 영역은 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)로 SC-FDMA 방식으로 데이터를 전송하는 영역으로 상향 데이터 전송 구간(UL)이다.
다만 상향 데이터 전송 구간(UL)의 첫번째 시간 단위, 즉 상향 링크 자원 요청(UL Request) 영역 이후 영역은 사운딩 채널 영역으로 이용될 수 있다. 기지국(MSN)은 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 중 적어도 하나의 1차 단말기(일예로 도1 의 제3 및 제5 1차 단말기(S13, S15))로부터 단말기간(D2D) 통신 요청이 수신되면, 상향 데이터 전송 구간(UL)에서 사운딩 채널 영역을 해당 1차 단말기(S13, S15)에 할당할 수 있으며, 사운딩 채널 영역을 할당받은 1차 단말기(S13, S15)는 사운딩 채널을 통해 통신 대상이 되는 1차 단말기(일예로 도1 의 제4 및 제6 1차 단말기(S14, S16))로 사운딩 신호를 전송할 수 있다. 그리고 통신 대상이 되는 1차 단말기(S14, S16)는 사운딩 신호 측정 결과를 회신함으로써, 단말기간(D2D) 통신이 가능함을 통지할 수 있다.
즉 사운딩 채널 영역은 기지국(MSN)에서 해당 1차 단말기(S13, S15)로 할당한 경우에만 사운딩 채널로 이용될 수 있으며, 이외에는 상향 데이터를 전송하는 상향 데이터 전송 구간(UL)으로 활용될 수 있다.
도7 및 도8 은 도2 의 채널 상황 스캔 단계 및 주파수 관리 단계를 설명하기 위한 도면이다.
기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S1 ~ SN)가 동기화되고 랑데부되면, 기지국(MSN)은 현재 주파수 자원을 할당받아 선점 사용하고 있는 주사용자(PU)에 대한 주파수 간섭을 회피하기 위해 기설정된 주기로 채널 상황을 스캔을 수행한다(S130). 상기한 바와 같이, 채널 상황에 대한 스캔은 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 함께 수행할 수도 있으나, N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)만이 수행하도록 구성될 수도 있다.
도7 에서 (a)는 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 함께 채널 상황을 스캔하는 경우를 나타내고, (b)는 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 채널 상황을 스캔하는 경우를 나타낸다.
(a)에 나타난 바와 같이, 기지국(MSN)과 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 함께 채널 상황을 스캔하는 경우에는 기지국(MSN)뿐만 아니라 모든 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 동시에 채널 상황을 스캔한다. 따라서 채널 상황을 스캔하는 시간이 매우 짧다(일예로 도7 (a)에서는 1프레임 구간). 반면, 채널 상황을 스캔하는 동안 인지 무선 통신을 수행할 수 없다는 단점이 있다.
그에 비해 (b)에 나타난 바와 같이, N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 채널 상황을 스캔하는 경우에는 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 동시에 채널 상황을 스캔하는 것이 아니라 기지국(MSN)에 의해 설정된 스케쥴링에 따라 하나의 프레임에 N개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 중 일부 1차 단말기가 스캔을 수행할 수 있다. 도7의 (b)에서는 슈퍼프레임의 첫번째 프레임에 제1 내지 제3 1차 단말기(S11 ~ S13)가 채널 상황을 스캔하고, 두번째 프레임에서는 제4 내지 제9 1차 단말기(S11 ~ S13)가 채널 상황을 스캔하는 것으로 도시하였다. 그러나 각 프레임에서 스캔을 수행할 1차 단말기와 1차 단말기의 개수는 다양하게 조절될 수 있다. 1차 단말기가 스케쥴링에 따라 채널 상황을 스캔하는 경우, 현재 프레임에서 스캔을 수행하는 1차 단말기 이외에 나머지 1차 단말기는 여전히 통신을 수행할 수 있다는 장점이 있으나 스캔 수행 기간이 길어지는 단점이 있다.
도7 및 도8 을 참조하여, 채널 상황 스캔 단계 및 주파수 관리 단계를 상세하게 설명하면, 우선 기지국(MSN)이 하향 데이터 전송 구간(DL)에 스캐닝 요청 신호를 포함하여 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 전송한다(S131). 그리고 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)는 각각 채널 상황을 스캔하고, 상향 데이터 전송 구간(UL)에 스캔 결과를 기지국(MSN)으로 전송한다.
이에 기지국(MSN)은 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)에서 전송된 스캔 결과를 내부의 스캔 DB에 저장한다(S133). 그리고 스캔 결과에 따라 기지국(MSN)은 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)의 이동 방향, 주 사용자에 대한 간섭량 등을 고려하여, 변경 후보 채널 및 채널 변경 시간을 선택하고, 선택된 변경 후보 채널 및 채널 변경 시간을 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 전송한다(S134). 또한 스캔 결과도 취합하여 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)로 전송한다(S135).
복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 각각은 취합된 스캔 결과를 개별적으로 저장한다(S136). 이후 채널 변경 시간에 변경 후보 채널로 채널을 변경한다(S141). 여기서 변경되는 채널은 공통 제어 채널(fc)도 포함된다. 그리고 취합된 스캔 결과와 변경된 채널 정보를 망 관리기(NMU)로 전송하여 망 관리기(NMU)가 인지 무선망의 채널 상황을 인지할 수 있도록 한다(S142). 즉 주파수 채널을 관리할 수 있도록 한다.
도9 는 도2 의 무선 자원 할당 단계를 설명하기 위한 도면이다.
기지국(MSN)은 스캔 결과에 따라 공통 제어 채널(fc)을 포함하여 인지 무선망(CR)에서 이용할 주파수 채널을 판단하여 변경하고, 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 각각에서의 스캔 결과로부터 각 1차 단말기에 신호 품질이 가장 좋은 채널을 식별하여, 무선 자원을 요청한 1차 단말기로 전달한다.
상기한 바와 같이, 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)가 기지국(MSN)으로 채널 스캔 결과를 전송하면, 기지국(MSN)은 도9 에 도시된 바와 같이, 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)에서의 스캔 결과와 기지국(MSN) 자체의 스캔 결과를 통합하여, 개별 1차 단말기(S11 ~ S1N) 각각에 적합한 주파수 채널을 식별하고, 식별된 주파수 채널을 개별 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 각각 구분하여 서로 다르게 할당할 수 있다.
일예로 제1 1차 단말기(S11)의 스캔 결과로 제3, 제6 및 제7 주파수 채널(f3, f6, f7)가 최적 채널 후보인 것으로 판별되고, 기지국(MSN)의 직접 스캔 결과로 제2, 제5 및 제6 주파수 채널(f2, f5, f6) 가 최적 채널 후보인 것으로 판별된 경우, 기지국(MSN)은 제3, 제6 및 제7 주파수 채널(f3, f6, f7) 중 하나의 주파수 채널(도9 에서는 제6 주파수 채널(f6))을 제1 1차 단말기(S11)에 할당할 수 있다.
유사하게 나머지 1차 단말기(S12 ~ S1N)에 대해서도 각각의 1차 단말기에 최적의 주파수 채널을 할당할 수 있다. 이때 기지국(MSN)은 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 주파수 채널을 할당하기 이전에 망 관리기(NMU)로 스캔 결과를 전송하고, 망 관리기(NMU)가 주 사용자(PU)에 간섭을 회피하기 위한 최적 채널을 선택하여 전송하면, 전송된 최적 채널을 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 할당할 수 있으며, 도9 에 도시된 바와 같이 슈퍼프레임 내의 복수개의 프레임에서 프레임 단위로 서로 다른 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 할당할 수 있다. 또한 상기한 바와 같이 동일 주파수 채널을 이용하는 프레임 내에서도 SC 주파수 단위로 분할하여 복수개의 서로 다른 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 재할당할 수 있다.
도10 은 무선 자원 추가 할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
상기에서는 기지국(MSN)이 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N)에서 전송된 자원 할당 요청에 응답하여 무선 자원인 주파수를 할당하는 과정을 설명하였다. 그리고 프레임 내에서도 SC 주파수 단위로 분할하여 복수개의 서로 다른 1차 단말기(S11 ~ S1N)에 재할당할 수 있다고 설명하였다.
그러나 경우에 따라서 1차 단말기는 현재 할당된 무선 자원 이외에 추가 무선 자원을 필요로 할 수 있다. 특히 SC 주파수 단위로 무선 자원을 할당받은 경우에 추가 SC 주파수 단위로 무선 자원을 필요로 할 수도 있다. 이때, 본 발명에서는 추가 무선 자원 요청 시간을 단축 시키기 위해 도10 에 도시된 바와 같이, 피기백(Piggyback) 기법을 이용할 수 있다. 도10 에서는 복수개의 프레임이 동일한 주파수 채널을 이용하는 것으로 가정한다.
도10 의 제1 프레임(F#1)에서 1차 단말기(S11 ~ S1N)는 상향 링크 자원 요청 구간에 상향 링크 자원 요청(UL Request)을 기지국으로 전송하고, 기지국은 해당 1차 단말기에 대한 무선 자원 할당 상태를 다음 프레임(F#2)의 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)에 포함함으로써, 1차 단말기에 초기 무선 자원을 할당한다. 무선 자원인 주파수 채널을 할당받은 1차 단말기는 동일 프레임의 상향 데이터 전송 구간(UL)에 상향 데이터를 전송할 수 있다. 이에 기지국(MSN)은 1차 단말기에서 전송된 상향 데이터에 대한 통신 품질을 측정하여, 제3 프레임(F#3)의 측정 결과를 하향 데이터 전송 구간(DL)에 포함하여 1차 단말기로 전송할 수 있다.
한편 1차 단말기는 추가적으로 무선 자원인 주파수 채널이 필요하면(도10 에서는 제3 프레임(F#3)), 언제든 상향 링크 자원 요청 구간에 추가 상향 링크 자원 요청(UL Request)을 전송할 수 있으며, 추가 상향 링크 자원 요청(UL Request)를 인가받은 기지국(MSN)은 기존에 할당된 주파수 채널은 그대로 유지한 상태에서 추가 주파수 채널을 할당하고, 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)에 포함하여 전송한다. 즉 1차 단말기가 현재 사용하고 있는 주파수 채널 이상의 주파수 채널을 필요로 하는 경우, 기존에 할당된 주파수 채널을 회수하고 확장된 주파수 채널 전체를 새로 할당하는 형태가 아니라 기존 주파수 채널을 그대로 유지한 상태에서 추가 주파수 채널을 할당함으로써, 추가 자원 요청 시간을 단축 시킬 수 있다.
도10 에서는 일 예로 초기에 할당되는 무선 자원의 크기와 추가 할당되는 무선 자원의 크기가 동일한 것으로 도시하였으나, 추가 할당되는 무선 자원의 크기는 초기 무선 자원의 크기와 상이한 크기로 할당될 수 있다.
도11 은 동일 채널 내에서 단말간 통신을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도11 을 참조하여, 동일 채널 내에서 단말간 통신 방법을 설명하면, 복수개의 1차 단말기(S11 ~ S1N) 중 단말간 통신을 필요로 하는 적어도 하나의 1차 단말기(도1 의 S15)가 상향 링크 자원 요청 구간에 상향 링크 자원 요청(UL Request) 대신 단말간(D2D) 통신 요청을 기지국(MSN)으로 전송한다. 여기서 단말간(D2D) 통신 요청에는 통신 대상 1차 단말기(예를 들면, 도1 의 S16)에 대한 식별자가 포함된다.
이에 기지국(MSN)은 다음 프레임(F#2)의 하향링크 자원 할당 정보(DL_MAP)에 통신 대상인 1차 단말기(S16)에 대한 사운딩 채널 수신 요청을 포함하여 전송함으로써, 통신 대상인 1차 단말기(S16)가 사운딩 채널을 수신하여 확인하도록 한다. 그리고 기지국(MSN)은 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)에 사운딩 채널 할당 정보를 포함하여, 통신을 요청한 1차 단말기(S15)가 사운딩 채널을 송출할 수 있도록 한다. 또한 기지국(MSN)은 통신 대상 1차 단말기(S16)를 위한 자원 블록을 할당하여 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)에 포함함으로써, 통신 대상 1차 단말기(S16)가 사운딩 신호에 대한 통신 품질 측정 결과를 즉각적으로 회신할 수 있도록 한다.
통신을 요청한 1차 단말기(S15)는 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)를 분석하여 사운딩 채널 할당 정보가 포함되어 있으면, 상향 데이터 전송 구간(UL)의 사운딩 채널 영역에 사운딩 신호를 포함하여 전송한다. 여기서 사운딩 신호는 기지국으로 전송하는 신호가 아닌 통신 대상 1차 단말기(S16)로 전송하기 위한 신호이다. 통신 대상 1차 단말기(S16)는 사운딩 신호가 수신되면, 수신된 사운딩 신호에 대한 통신 품질 측정 결과를 상향 데이터 전송 구간(UL)에 할당된 자원 블록 구간에 전송한다. 여기서 통신 품질 측정 결과는 단말간 통신 품질을 향상 시키기 위해 PHY 레이어(Physical Layer)를 튜닝하기 위한 정보가 포함될 수 있다.
도11 에서는 사운딩 채널 영역이 상향 데이터 전송 구간(UL)의 첫번째 시간 단위에서 모든 SC 주파수 단위로 할당되는 것으로 도시하였으나, 사운딩 채널 영역의 시간 단위 위치는 가변될 수 있다. 다만, 사운딩 채널 영역이 상향 데이터 전송 구간(UL)의 첫번째 시간 단위에 배치되면, 도11 에서와 같이 통신 대상 1차 단말기(S16)가 동일 상향 데이터 전송 구간(UL)에 사운딩 신호에 대한 통신 품질 측정 결과를 기지국(MSN)으로 전송할 수 있어, 속도를 향상 시킬 수 있다. 그리고 기지국(MSN)은 통신 대상 1차 단말기(S16)에서 전송된 통신 품질 측정 결과를 통신 요청 1차 단말기(S15)로 전송한다.
여기서 통신 대상 1차 단말기(S16)가 통신 품질 측정 결과를 통신 요청 1차 단말기(S15)로 곧바로 전송하지 않고, 기지국(MSN)으로 전송하고 기지국(MSN)이 다시 통신 요청 1차 단말기(S15)로 전달하는 것은 이 시점까지 통신 요청 1차 단말기(S15)와 통신 대상 1차 단말기(S16) 사이에 단말간 통신이 기지국(MSN)으로부터 승인되지 않았기 때문이다. 즉 단말간 통신을 위한 무선 자원이 할당되지 않았기 때문이다.
기지국(MSN)은 통신 품질 측정 결과를 통신 요청 1차 단말기(S15)로 전송한 이후, 통신 요청 1차 단말기(S15)로부터 상향 링크 자원 요청 구간에 단말간 통신 자원 요청이 수신되면, 단말간 통신을 위한 무선 자원을 할당한다. 단말간 통신을 위한 무선 자원은 상향 링크 자원을 할당한다. 즉 상향 데이터 전송 구간(UL)을 이용할 수 있도록 상향링크 자원 할당 정보(UL_MAP)에 단말간 통신 자원을 할당한다. 이에 무선 자원을 할당 받은 통신 요청 1차 단말기(S15)는 통신 대상 1차 단말기(S16)와 할당된 무선 자원을 이용하여 직접 통신을 수행한다.
상기에서는 수평적 단말간(D2D) 통신 방법을 설명하였으나, 수직적 단말간(D2D) 통신 방식 또한 수평적 단말간(D2D) 통신 방법과 유사한 형태로 통신 요청 1차 단말기(S13)로부터 상향 링크 자원 요청 구간에 단말간 통신 자원 요청이 수신되면, 단말간 통신을 위한 무선 자원을 할당함으로써 수행될 수 있다. 다만 기지국(MSN)과 직접 통신이 불가능한 2차 단말(S2i)과 사운딩 채널을 이용할 수 없으며 동기를 수행할 필요성이 있으므로, 통신 요청 1차 단말기(S13)는 하향링크 구간(DLA)에 기지국(MSN)에서 인가되는 프리앰블을 복사하여, 2차 단말(S2i)로 전송함으로써, 통신 요청 1차 단말기(S13)와 통신 대상 2차 단말(S2i)를 동기하는 과정이 추가될 수 있다.
도12 는 이종 채널에서 단말간 통신을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도11 에서는 동일 주파수 채널에서 단말간 직접 통신이 가능하도록 무선 자원을 할당하는 방법을 나타내었다. 즉 특정 주파수 채널 내에서 복수개의 1차 단말기들이 기존의 통신을 이용하면서 동시에, 특정 1차 단말기간 직접 통신이 가능하도록 하였다.
그러나 현재 주 사용자(PU) 및 인지 무선망(CR)에서 사용되지 않는 주파수 채널이 존재한다면, 도11 과 같이 주파수 채널 내에서 다시 자원 블록을 분할 할당하는 방식보다 주파수 채널 전체를 단말간 직접 통신을 위해 제공하는 것이 더욱 효율적이다.
따라서 기지국(MSN)은 통신 요청 1차 단말기(S15), 즉 송신 1차 단말기와 통신 대상 1차 단말기(S16), 즉 수신 1차 단말기 사이에 공통으로 통신을 수행하지 않는 여백 시간과 주파수 채널을 확인하여, 주파수 채널 전체를 할당할 수 있다. 여기서 기지국은 시간을 슈퍼프레임에서 공백 프레임(Blank frame), 비사용 프레임(Not Used frame) 및 수신 1차 단말기(S16)의 프레임 순서로 여백 시간을 확인하여 단말간 통신 시간으로 할당할 수 있으며, 주파수 채널은 망관리기(NMU) 또는 기지국(MSN)이 비사용 주파수를 확인하여 할당할 수 있다.
도12 에서는 슈퍼프레임에서 공백 프레임(Blank frame)인 5번째 및 6번째 프레임에 제8 주파수 채널(f8)이 할당되어 단말기간 통신이 수행될 수 있음을 나타낸다.
결과적으로 본 발명의 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템은 주 사용자(PU)에 대한 간섭을 회피하면서 인지 무선망(CR)을 운용 할 수 있으며, 특히 1차 단말기간 직접 통신을 지원할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 무선 자원인 주파수를 할당받아 통신을 수행하는 복수개의 1차 단말기; 및
    망관리기에 기저장된 주 사용자의 주파수 채널 이용 현황을 인가받아, 복수개의 주파수 채널 중 상기 주 사용자에 대한 간섭을 회피하면서 사용 가능한 주파수 채널을 스캔한 스캔 결과를 획득하여 인지 무선망을 제어하기 위한 공통 제어 채널을 설정하고, 상기 공통 제어 채널을 통한 공통 제어 채널 프레임을 이용하여, 상기 복수개의 1차 단말기와 동기화 및 랑데부를 수행하며, 랑데부된 적어도 하나의 상기 1차 단말기로부터 무선 자원 요청이 수신되면, 상기 무선 자원 요청에 대응하는 상기 무선 자원을 할당하는 기지국; 을 포함하고,
    상기 기지국 및 상기 복수개의 1 차 단말기는 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 기반으로 서로 다른 주파수 채널로 통신 가능한 복수개의 프레임을 포함하는 슈퍼프레임의 구조로 통신을 수행하며, 상기 기지국은 랑데부된 적어도 하나의 상기 1차 단말기로부터 단말간 통신 요청이 수신되면, 상기 1차 단말기 사이의 직접 통신이 가능하도록 상기 프레임 또는 상기 프레임을 기설정된 시간 단위 및 주파수 단위로 구분한 자원 블록 단위로 할당하고,
    상기 복수개의 프레임 각각은 TDD(Time Division Duplex) 방식에 따라 하향링크 구간과 상향링크 구간으로 구분되고, 상기 하향링크 구간과 상기 상향링크 구간 각각은 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 방식에 따라 상기 시간 단위 및 SC 주파수 단위로 구분된 복수개의 자원 블록으로 구성되되, 상기 하향링크 구간의 첫번째 시간 단위에 대응하는 자원 블록이 상기 기지국이 상기 복수개의 1차 단말기로 동기화를 위해 전송하는 프리엠블이 포함되는 프리엠블 구간으로 설정되고, 상기 하향링크 구간에서 상기 프리엠블 구간을 제외한 나머지 자원 블록 영역은 하향 데이터 전송 구간으로 설정되며, 상기 하향 데이터 전송 구간에는 하향링크 자원 할당 정보 및 상향링크 자원 할당 정보가 기설정된 크기 및 위치의 자원 블록에 포함되고,
    상기 상향링크 구간의 첫번째 시간 단위에 대응하는 자원 블록이 상향 링크 자원 요청 구간으로 상기 복수개의 1차 단말기가 상기 기지국으로 상기 인지 무선망에 포함될 것을 요청하는 Ranging Request 또는 무선 자원 할당을 요청하는 무선 자원 요청이 포함되며, 상기 상향링크 구간에서 상향 링크 자원 요청 구간을 제외한 나머지 자원 블록 영역은 상향 데이터 전송 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서, 상기 기지국은
    상기 동기화 및 랑데부 시에 상기 슈퍼프레임의 모든 프레임을 상기 공통 제어 채널 프레임으로 구성하여 브로드캐스팅하며, 상기 공통 제어 채널 프레임에 포함된 상기 프리엠블을 감지하여 동기화된 상기 1차 단말기가 상기 하향링크 자원 할당 정보 및 상기 상향링크 자원 할당 정보를 분석하여, 상기 상향 링크 자원 요청 구간에 상기 Ranging Request를 포함하여 전송하면, 다음 프레임의 상기 하향 데이터 전송 구간에 상기 Ranging Request를 전송한 상기 1차 단말기로 Ranging Response를 전송하여 상기 랑데부를 수행하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 기지국은
    상기 동기화 및 랑데부 이후, 상기 슈퍼프레임의 첫번째 프레임을 상기 공통 제어 채널 프레임으로 전송하고, 나머지 프레임 각각은 스캔 결과에 기반하여 판별된 각 1차 단말기에 대한 최적의 주파수 채널을 통해 전송하며,
    상기 복수개의 1차 단말기 중 적어도 하나의 1차 단말기로부터 상기 상향 링크 자원 요청 구간에 상기 무선 자원 요청이 포함되어 전송된 것으로 판별되면, 상기 상향 데이터 전송 구간에서 상기 무선 자원을 요청한 1차 단말기가 사용할 수 있는 상기 자원 블록의 영역을 상기 상향링크 자원 할당 정보에 포함하여 전송함으로써, 상기 1차 단말기에 상기 무선 자원을 상기 자원 블록 단위로 할당하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 기지국은
    상기 상향 데이터 전송 구간에 상기 무선 자원을 할당받은 상기 1차 단말기로부터 데이터가 전송되면, 전송된 상기 데이터에 대한 통신 품질을 측정하고, 측정된 통신 품질 측정 결과를 상기 하향 데이터 전송 구간에 포함하여 전송하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 기지국은
    상기 자원 블록 단위로 상기 무선 자원을 할당받은 상기 1차 단말기로부터 상기 상향 링크 자원 요청 구간에 추가 무선 자원 요청이 전송되면, 이전 할당된 상기 자원 블록에 추가 자원 블록을 할당하여 상기 상향링크 자원 할당 정보에 포함하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 기지국은
    상기 복수개의 1차 단말기 중 적어도 하나의 1차 단말기로부터 상기 상향 링크 자원 요청 구간에 단말기간 통신 요청이 포함되어 전송된 것으로 판별되면, 상기 상향 데이터 전송 구간의 첫번째 시간 단위에 대응하는 영역을 사운딩 신호를 전송하기 위한 사운딩 채널 영역으로 설정하여 단말기간 통신 요청을 전송한 통신 요청 1차 단말기에 할당하여, 상기 하향링크 자원 할당 정보에 포함하고,
    상기 상향링크 자원 할당 정보에 상기 사운딩 신호에 대한 수신 요청을 포함하여 단말기간 통신 요청에 의해 지정된 통신 대상 1차 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 기지국은
    상기 통신 대상 1차 단말기가 상기 사운딩 신호를 수신하여, 통신 품질 측정 결과를 전송하면, 전송된 통신 품질 측정 결과를 상기 통신 요청 1차 단말기로 전달하며, 상기 통신 요청 1차 단말기로부터 상기 상향 링크 자원 요청 구간에 단말간 통신 자원 요청이 수신되면, 상기 통신 요청 1차 단말기와 상기 통신 대상 1차 단말기 사이의 직접 통신이 가능하도록 상기 상향 데이터 전송 구간의 자원 블록을 할당하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 기지국은
    상기 스캔 결과를 분석하여, 상기 주 사용자 및 상기 복수개의 1차 단말기가 이용하지 않는 여백 시간 및 여백 주파수 채널이 존재하면, 상기 여백 시간 및 상기 여백 주파수 채널을 상기 프레임 단위로 상기 통신 요청 1차 단말기와 상기 통신 대상 1차 단말기 사이의 직접 통신을 위해 할당하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 TDMA 기반 1 대 N 통신 시스템.
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