KR102039065B1 - 큰 셀 반경을 가지는 이동 통신 시스템에서의 랜덤 액세스 방법 및 랜덤 액세스 채널 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반경 100km 이상의 셀 크기 및 전력제한적인 단말에서의 랜덤 액세스를 지원하기 위한 LTE 기반 이동 통신 시스템에서의 랜덤 액세스 방법 및 그 프리앰블 구조에 관한 것으로, 기존의 LTE 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스를 그대로 재활용 하면서도 넓은 셀 영역에서의 단말들 간의 왕복지연시간 차를 보상할 수 있고, 대역폭당 더 높은 전력을 송신할 수 있어서 보다 많은 링크 마진을 확보할 수 있고, 기존 LTE의 자원 스케줄링과 호환성을 유지할 수 있고, 대형의 셀 크기에서의 랜덤 액세스 지원이 가능하며, 지상 LTE 기반으로 위성이동통신의 프리앰블 구조를 구현할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

큰 셀 반경을 가지는 이동 통신 시스템에서의 랜덤 액세스 방법 및 랜덤 액세스 채널 구조 {Random access methods and channel structures for mobile communications with large cell size}

본 발명은 반경 100km 이상의 셀 크기 및 전력제한적인 단말에서의 랜덤 액세스를 지원하기 위한 LTE 기반 이동 통신 시스템에서의 랜덤 액세스 방법 및 그 프리앰블 구조에 관한 것이다.

본 발명은 방송통신위원회의 방송통신인프라원천기술개발사업의 연구결과로 수행되었음. [KCA-2012-12-911-01-201, 지상 이동통신을 위한 2.1GHz 위성 주파수 대역 최적 활용기술 개발]

본 발명은 반경 100km 이상의 셀 크기 및 전력제한적인 단말에서 기존 LTE와 최대한 호환성을 가지는 랜덤 액세스를 지원하기 위한 LTE기반 이동 통신 시스템에서의 랜덤 액세스 및 그 프리앰블 구조에 관한 것이다.

미래의 이동 통신망은 지상망과 위성망이 결합하거나 협력하는 방향으로 진화할 것으로 예상된다. 이러한 위성/지상 통합 시스템에서 위성과 지상 무선 인터페이스 간 공통성은 단말의 비용을 고려했을 때 매우 중요하게 고려되어야 한다. 특히, 차세대 IMT-Advanced 시스템으로서 LTE 기반의 지상 이동 시스템이 고려되고 있는 점을 감안했을 때, 지상망에 비해 훨씬 큰 셀 반경 및 긴 왕복지연 시간을 가지며, 전력 제한적인 위성망 환경을 고려한 LTE(Long Term Evolution) 기반의 위성무선인터페이스에 대한 연구가 절실히 요구된다.

한편, 망 내의 셀과의 동기 획득 과정인 셀 탐색을 도와주기 위하여 LTE 하향링크에는 PSS(Primary Synchronization Signal)와 SSS(Secondary Synchronization Signal)와 같이 2개의 특수한 신호가 전송된다. 한 셀 내에서 한 프레임 내의 두 PSS는 서로 동일하다. 아울러, 한 셀의 PSS는 셀의 물리계층 셀 ID에 따라 3개의 서로 다른 값을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 하나의 셀 ID 그룹 내의 3개의 셀 ID는 각각 서로 다른 PSS에 대응된다.

한편, 어떠한 셀룰러 시스템에서든 기본적인 요구 조건은 단말이 흔히 랜덤 액세스(Random Access)라고 불리는 과정을 통하여 망과의 연결 설정을 요청할 수 있어야 한다는 것이다. LTE에서 랜덤 액세스는 다음과 같은 몇 가지 목적으로 사용된다.

- 초기 접속으로서 무선링크를 형성하려는 목적(RRC_IDLE에서 RRC_CONNECTED로 이동)

- 무선링크 실패 이후 무선링크를 재형성하려는 목적

- 핸드로버로서 새로운 셀과의 상향링크 동기를 형성하려는 목적

- 단말이 RRC_CONNECTED 상태에 있으나 상향링크는 동기화되지 않았을 때, 상향링크 혹은 하향링크 데이터가 도달하는 경우에 상향링크 동기를 형성하려는 목적

- PUCCH(Physical Uplink Control Channel)상으로 지정된 스케줄링 요청 자원이 없는 경우에 스케줄링 요청을 하는 목적

물론 위의 모든 경우에 초기 접속시 상향링크 동기를 형성하는 것이 가장 주요한 목적이다. 또한, 랜덤 액세스 과정은 단말에 유일한 식별자인 C-RNTI를 할당하는 목적도 수행한다.

한편, 프리앰블 전송의 주요 목적은 기지국에 랜덤 액세스 시도가 있음을 알리고 기지국이 단말과 기지국 사이의 지연을 추정할 수 있도록 하는 것이다. 지연에 대한 추정은 상향링크 타이밍을 조절하는데 사용된다. 랜덤 액세스 프리앰블이 전송되는 시간-주파수 자원을 PRACH(Physical Random Access Channel)라 부른다. 망은 어떤 시간-주파수 자원이 랜덤 액세스 프리앰블 전송에 사용될 수 있는지를 모든 단말에게 브로드캐스트 한다. 랜덤 액세스 과정으로서 단말은 PRACH상으로 전송할 하나의 프리앰블을 선택한다.

시간영역에서 프리앰블 영역의 길이는 프리앰블 설정에 따라 달라진다. 기본적인 랜덤 액세스 자원은 1ms 이지만 더 긴 프리앰블을 설정할 수도 있다. 또한, 이론적으로는 eNodeB의 상향링크 스케줄러가 단순히 복수 개의 연속된 서브프레임들에서 단말들의 스케줄링을 피함으로써 임의의 긴 랜덤 액세스 영역을 남겨둘 수도 있다.

도 1은 IMT-Advanced 무선인터페이스 기술로 채택된 3GPP LTE의 랜덤 액세스 절차를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, LTE의 랜덤 액세스 절차는 네 단계로 나타낼 수 있다. 첫 번째 단계를 통해 기지국으로부터 PSS(Primary Synchronization Signal)/SSS(Second Synchronization Signal)를 통해 동기를 획득하고, BCH(Broadcasting Channel)를 통해 시스템 정보를 얻게 된다. BCH를 통해 전송되는 정보는 랜덤 액세스 프리앰블을 생성하기 위한 파라미터들이 포함되어 있다. 두 번째는 단말기가 랜덤 액세스 프리앰블을 전송하는 단계이다. 이로부터 eNodeB는 단말기의 전송 타이밍을 추정할 수 있게 된다. 상항링크 타이밍 추정은 OFDM기반인 LTE에서 필수적으로 필요한 절차이며 동기가 설정되지 않는다면 상향링크 데이터의 전송을 할 수 없다. 세 번째 단계에서는 전송된 프리앰블의 파라미터를 기지국에서 추출하는 단계이며, 네 번째 단계에서는 기지국에서 검출한 프리앰블의 파라미터를 갖는 단말기에서 상향링크 동기 획득을 알려주기 위해 프리앰블 ID, 접속 승인 메시지, 상향링크 동기에 필요한 Timing_Advanced 정보를 전송한다. 마지막으로 단말기는 기지국으로부터 전송된 신호를 기반으로 Timing_Advanced를 조절하여 자원 요청을 기지국으로 한다.

도 2는 랜덤 액세스 프리앰블 포맷을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 랜덤 액세스 절차에 현재 정의된 랜덤 액세스 프리앰블은 CP(Cyclic Prefix)와 프리앰블 시퀀스 그리고 GT(Guard Time)로 구성되어 있으며 4개의 format을 가진다. Format 0은 CP와 GT의 길이가 각각 0.1ms로 구성되며 15km의 셀까지 지원한다. Format 1과 2, 3은 각각 78km, 30km, 100 km까지 셀 크기를 지원한다. Format 2와 3은 프리앰블 시퀀스가 2번 반복하여 전송되는데 이는 에너지 이득을 높이기 위함이다. 프리앰블 전송은 타이밍의 불확실성을 다루기 위해 GT를 사용한다. 랜덤 액세스 절차를 시작하기 이전에, 단말은 셀 탐색 과정으로부터 하향링크 동기를 획득한다. 그러나 상향링크 동기가 아직 형성되지 않았다면, 셀 내의 단말의 위치가 알려져 있지 않으므로 상향링크 타이밍에는 아직 불확실성이 존재한다. 셀 크기가 커질수록 상향링크 타이밍의 불확실성도 커지게 된다. 타이밍의 불확실성을 고려하고 랜덤 액세스에 사용되지 않은 뒤따르는 부프레임(Subframe)들과의 간섭을 피하기 위하여 GT가 프리앰블 전송의 일부로서 사용된다. 이를 위해 GT는 eNodeB에 가장 가까이에 있는 단말과 가장 멀리에 있는 단말 사이에 왕복지연시간 차와 다중경로 채널 지연 시간의 합보다 큰 값으로 정의되어야 한다. GT 길이가 가장 긴 Format 4의 경우 셀 반경 100 km 이하를 고려하고 있기 때문에 위성이동통신망과 같이 100km 이상의 셀 크기를 가지는 이동통신망의 경우 기존의 프리앰블 format은 상향링크 타이밍 불확실성 및 뒤따르는 부프레임에 간섭 문제를 해결할 수 없다.

또한 프리앰블이 CP를 포함하는 것은 이를 이용하여 기지국에서 복잡도가 낮은 주파수 영역 프로세싱이 가능하기 때문에 효율적이다. 이를 위해 CP의 길이는 eNodeB에 가장 가까이에 있는 단말과 가장 멀리에 있는 단말 사이에 왕복지연시간 차보다 큰 값으로 정의되어야 하며 GT의 길이와 대략 같은 것이 바람직하다. 마지막으로 랜덤 액세스 자원에 뒤따르는 부프레임에 아무런 상향링크 전송도 스케줄링하지 않음으로써 도면 2에서 보여지는 것보다 더 큰 보호 구간도 생성할 수 있다. 따라서 위성이동통신망과 같이 100km 이상의 셀 크기를 가질 경우 단말들 간의 왕복지연시간 차가 CP의 길이를 초과하기 때문에 한번의 FFT Window를 통한 주파수 영역 프로세싱을 할 수 없게 되어, 다수개의 Window를 통한 시간 영역 프로세싱을 해야 하기 때문에 수신기 복잡도 및 프리앰블 획득 시간이 길어지게 된다.

마지막으로 위성이동통신망의 경우 적은 링크 마진으로 인해 고출력의 신호전송이 필요하다. LTE에서의 상향링크 랜덤 액세스 프리앰블의 1 MHz 이상의 전송대역폭은 핸드헬드(Handheld) 타입 단말의 낮은 최대 송신 전력 레벨을 고려했을 때, 전송 블록의 각 부반송파에서 할당되는 전력은 위성시스템의 링크 마진을 만족시킬 수 있는 송신 전력을 제공할 수 없을 수도 있다. 또한 넓은 셀 영역을 가지는 이동통신망을 지원하기 위해 고려되어야 하는 GT와 CP의 길이는 기존 LTE에 비해 증가되어야 하기 때문에 시간 축에서의 전체 프리앰블의 길이는 증가되어야 한다. 1 MHz 이상의 기존 LTE 프리앰블 대역폭을 고려했을 때 시간 축에서의 프리앰블 길이 증가는 데이터 전송 자원의 감소를 야기하게 된다.

본 발명은 위성이동통신망과 같이 넓은 셀 영역을 가지고 전력 제한적인 환경을 가지는 이동통신망에서 기존의 LTE와 호환성을 유지하면서 복잡도가 낮은 주파수 영역 프로세싱이 가능한 랜덤 액세스 방법 및 그 프리앰블 채널 구조에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 반경 100km 이상의 셀 크기 및 전력제한적인 단말에서 기존 LTE와 최대한 호환성을 가지면서 시스템 성능을 향상을 위한 LTE기반 이동 통신시스템에서의 랜덤 액세스 및 그 프리앰블 구조를 제안하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 위성이동시스템에 기존의 지상 LTE 시스템 적용시 생기는 상향링크 타이밍의 불확실성을 낮추는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 위성이동시스템에 적합한 GT가 구현된 프리앰블 구조를 제공함으로써, 100km 이상의 셀 크기를 가질 경우 단말들 간의 왕복지연시간 차가 CP의 길이를 초과함에 따른 수신기 복잡도 및 프리앰블 획득시간이 길어지는 문제점을 해결하기 위한 CP를 포함한 프리앰블 구조를 제공하는데 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 적은 링크 마진으로 인해 고출력의 신호 전송이 필요한 위성이동시스템을 만족시킬 수 있는 송신 전력을 제공하고, 넓은 셀 영역을 고려한 GT와 CP의 길이 증가에 따른 데이터 전송 자원의 감소를 줄일 수 있도록 하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 단말기가 셀 반경의 크기를 판단하는 (a) 단계; 상기 단말기가 상기 셀 반경이 일정 기준을 초과하는 경우, 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격을 지상 LTE 데이터 채널 및 지상 LTE 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격의 1/n(n은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 (b) 단계; 및 상기 단말기가 랜덤 액세스 프리앰블의 길이를 지상 LTE 부프레임 길이의 m(m은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 (c) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 셀 영역을 가지는 이동통신 시스템에 있어서의 랜덤 액세스 채널 생성 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 랜덤 액세스 프리앰블은 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스, CP(Cyclic Prefix) 및 GT(Guard Time)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 셀 반경의 크기를 판단하는 판단부; 상기 판단부가 판단한 상기 셀 반경이 일정 기준을 초과하는 경우, 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격을 지상 LTE 데이터 채널 및 지상 LTE 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격의 1/n(n은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 제1 설정부 및 랜덤 액세스 프리앰블의 길이를 지상 LTE 부프레임 길이의 m(m은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 제2 설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 셀 영역을 가지는 이동통신시스템에 있어서의 랜덤 액세스 채널을 생성하는 장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 랜덤 액세스 프리앰블은 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스, CP(Cyclic Prefix) 및 GT(Guard Time)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 LTE 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스를 그대로 재활용 하면서도 넓은 셀 영역에서의 단말들 간의 왕복지연시간 차를 보상할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 랜덤 액세스 채널의 대역폭은 기존 랜덤 액세스 채널 대역폭의 1/3로서 전력제한적인 단말에서 대역폭당 더 높은 전력을 송신할 수 있어서 보다 많은 링크 마진을 확보할 수 있는 효과가 있다. 이뿐 아니라 본 발명에 따르면, 남은 채널 대역폭 1/3을 기존 LTE의 최소 자원할당 블록으로 이용할 수 있어서 기존 LTE의 자원 스케줄링과 호환성을 유지할 수 있고, 대형의 셀 크기에서의 랜덤 액세스 지원이 가능하며, 지상 LTE 기반으로 위성이동통신의 프리앰블 구조를 구현할 수 있게 되는 효과가 있다. 이와 같은 효과들은 결국 저전력 단말 하에서도 대형 셀 구조를 지원할 수 있게 하고, 지상 LTE와 LTE 기반 위성이동통신 간에 호환성을 확보할 수 있게 한다.

도 1은 IMT-Advanced 무선인터페이스 기술로 채택된 3GPP LTE의 랜덤 액세스 절차를 나타낸 도면.
도 2는 랜덤 액세스 프리앰블 포맷을 나타내는 도면.
도 3은 한 스폿 빔 커버리지 안에서 위성과 단말의 위치에 따른 전파 지연 시간 차이를 나타내는 도면.
도 4는 랜덤 액세스 채널 구조를 보여주는 도면.
도 5는 기존 데이터 전송 블록에 제안하는 랜덤 액세스 프리앰블을 맵핑하는 것을 보여주는 도면.
도 6은 제안하는 랜덤 액세스 채널 format 4와 5를 가지고 랜덤 액세스 채널 전송 및 수신하는 절차를 보여주는 도면.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 넓은 셀 영역을 가지는 이동 통신시스템에서의 기존 LTE의 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스를 그대로 재활용하면서 넓은 셀 영역에서의 단말들 간의 왕복지연시간 차를 보상하며, 전력제한적인 환경에서 링크마진 확보를 위한 협대역 랜덤 액세스 채널 구조를 제안하고 그것을 이용한 랜덤 액세스 방법을 제안한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 셀 반경의 크기를 판단하는 (a) 단계; 상기 셀 반경이 일정 기준을 초과하는 경우, 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격을 지상 LTE 데이터 채널 및 지상 LTE 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격의 1/n(n은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 (b) 단계; 랜덤 액세스 프리앰블의 길이를 지상 LTE 부프레임 길이의 m(m은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 (c) 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 랜덤 액세스 프리앰블은 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스, CP(Cyclic Prefix) 및 GT(Guard Time)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 셀 반경의 크기를 판단하는 비교부; 상기 셀 반경이 일정 기준을 초과하는 경우, 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격을 지상 LTE 데이터 채널 및 지상 LTE 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격의 1/n(n은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 제1 설정부 및 랜덤 액세스 프리앰블의 길이를 지상 LTE 부프레임 길이의 m(m은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 제2 설정부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 랜덤 액세스 프리앰블은 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스, CP(Cyclic Prefix) 및 GT(Guard Time)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 실시 예에서 LTE 기반의 위성이동통신 시스템을 가지고 본 발명을 설명하나, 본 발명의 방법은 넓은 셀 영역을 가지는 다른 어떠한 이동통신 시스템에 상관없이 적용 가능하다.

도 3은 한 스폿 빔 커버리지 안에서 위성과 단말의 위치에 따른 전파 지연시간 차이를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대해서 설명한다.

여기서 도 3의 파라미터들은 다음을 의미한다.

h: 위성 고도 (Satellite height)

r_E: 지구 반지름 (Earth radius)

d: 위성과 단말과의 거리 (Satellite-terminal distance)

α: 위성에서 수직면을 기준으로 하여 단말이 위치한 각도

β: 지구 중심에서 수직면을 기준으로 하여 단말이 위치한 각도

θ: 단말 또는 지구국에서의 앙각 (elevation angle)

위에서 정의한 파라미터를 이용하여 도 3에서 LES(Land Earth Station)와 UE(User Equipment)1은 위성 커버리지의 가장자리에 위치해 있으며, UE2는 가장 큰 스폿 빔 커버리지의 가장 안쪽에 있다고 가정하고, UE1과 UE2에 대한 각각의 위성과 단말 사이의 전파 지연 시간, t₁ 및 t₂와 지연 시간 차 Δt_{1 ,2}를 다음과 같은 관계식에 의해 구할 수 있다.

먼저 θ₁, β₁, α_1,2, β_1,2를 다음과 같이 정의했을 때,

θ₁: 최소 앙각 (minimum elevation angle)

β₁: 위성 커버리지 각도 (satellite coverage angle)

α_1,2= α₁ - α₂: 최대 크기를 갖는 스폿 빔 각도 (beam angle)

β_1,2= β₁ - β₂: 최대 크기를 갖는 스폿 빔 커버리지 각도(beam coverage angle)

커버리지 각과 앙각과의 관계는

이고, 최대 스폿 빔에 대해 지표면을 따른 스폿 빔 커버리지 지름 s_{1 ,2}는 최대 스폿 빔 커버리지 각도 β_1,2와 다음의 관계식을 갖는다.

또한, 각 단말과 위성과의 거리는 다음의 관계식을 갖는다.

고도 h, 최소 앙각 θ₁, 빔 커버리지 지름 s_{1 ,2}, 지구 반지름 r_E가 주어졌을 때, 위의 관계식으로부터 위성과 단말과의 거리 d를 구하면, 전파 지연 시간 t_i는

와 같다. 이 식에서 c는 전파 속도이다. 또한 전파 시간 차는

로 구할 수 있다.

위의 전파 시간 차는 위성 고도 및 스폿 빔 커버리지에 따라 달라지게 되는데, 현재 전세계적으로 개인휴대위성이동통신을 위해 고려되고 있는 GEO 위성과 우리나라가 위치한 앙각 40°를 고려했을 때, 현재 LTE에서 가장 큰 셀을 지원할 수 있는 랜덤 액세스 채널 format 4의 경우, 지상이동통신 시스템의 셀 반경 100km까지 지원이 가능하였으나, 위성이동통신 시스템의 경우 셀 반경 75 km까지만 지원가능한 문제점이 있다. 위성통신시스템의 경우 다중 빔을 최대한 작게 함으로써 전체 시스템 용량을 극대화할 수 있고, 랜덤 액세스 채널에서 CP와 GT의 길이가 작을수록 데이터 전송 용량이 증대될 수 있다는 점을 고려했을 때, 위성 빔의 크기를 작게 만드는 것이 효율적이다. 따라서 LTE기반 위성이동통신망에서 랜덤 액세스 채널은 현재 위성안테나 기술로 만들 수 있는 셀 반경 150km~200km을 지원할 수 있어야 한다. 이는 위에서와 같이 GEO 위성과 우리나라 앙각 40°를 고려했을 때, 위성기지국에 가장 가까이 있는 단말과 가장 멀리 있는 단말들 사이에 왕복지연 시간, 1.8ms를 랜덤 액세스 채널에서 지원해야 한다. 즉 랜덤 액세스 프리앰블의 길이와 CP의 길이는 1.8ms 이상이어야 한다.

또한 프리앰블의 시간 축 길이를 늘리고, 전력제한적인 위성 환경을 고려하기 위해 랜덤 액세스 채널의 대역폭을 줄이면서, 기존 LTE 프리앰블 시퀀스를 그대로 재사용하기 위해서는 제안하는 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격을 기존 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격보다 줄여야 한다. 여기서 프리앰블 부반송파와 데이터 부반송파 사이에 직교성 상실을 최소화하고 기존 PUSCH 데이터용 FFT/IFFT 블록의 재사용을 통한 구현을 용이하게 하기 위해서는 PUSCH 데이터용 부반송파 간격이 랜덤 액세스 채널 부반송파 간격과 정수배가 되어야 한다. 즉 제안하는 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격은 기존 LTE의 데이터 채널 부반송파 간격과 기존 LTE의 랜덤 액세스 채널 부반송파 간격의 1/n(n은 1보다 큰 정수)배가 되도록 설계한다.

따라서, 기존 LTE의 랜덤 액세스 프리앰블 format 1의 시퀀스의 길이가 800us임을 고려했을 때, 넓은 셀 내의 왕복지연 시간 차 1.83ms보다 크면서 800us의 정수 배중 최소의 길이는 2.4ms이기 때문에 넓은 셀 영역을 가지는 랜덤 액세스 프리앰블의 시퀀스 길이를 2.1ms로 정의할 경우 이는 기존 데이터용 부반송파 간격이 제안하는 랜덤 액세스 채널 부반송파 간격의 36배, 기존 LTE 랜덤 액세스 채널 간격이 제안하는 랜덤 액세스 부반송파 간격의 3배로서 정수 배에 해당하기 때문에 기존 채널과의 직교성을 유지할 수 있으며 기존 LTE의 FFT 및 IFFT 블록을 재사용할 수 있어 구현이 용이하다. 또한 이와 같이 설계했을 때, 제안하는 랜덤 액세스 채널의 대역폭은 기존 랜덤 액세스 채널 대역폭의 1/3로서 전력 제한적인 단말에서 대역폭당 더 높은 전력을 송신할 수 있기 때문에 보다 많은 링크마진을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 남은 채널 대역폭 1/3은 기존 데이터 채널을 위한 자원 블록(Resource Block) 개수 2개에 해당하는 것으로서 기존 LTE의 최소 자원할당 블록 크기와 일치한다. 따라서 기존 LTE의 자원 스케줄링과 호환성을 유지하면서, 제안하는 랜덤 액세스 채널을 구현할 수 있는 장점이 있다.

다음으로 GT의 길이는 왕복지연시간의 불확실성을 보장하기 위해 1.8ms 이상이어야 한다. CP의 길이는 왕복지연시간 차와 다중경로채널 지연 시간의 합 이상이어야 하는데 위성의 경우 통상 LoS(Line of Sight) 환경에서 통신이 되기 때문에 다중경로채널 지연 시간은 0이라 생각할 수 있어서 CP와 GT는 유사한 길이로 정의할 수 있다. 제안하는 랜덤 액세스 채널이 기존 LTE와 호환성을 유지하기 위해서는 기존 LTE 프레임 구조 내에서 동작해야 하기 때문에 랜덤 액세스 채널(프리앰블)의 길이는 LTE 부프레임 길이 (1ms)의 정수(m, m은 1보다 큰 정수)배로 정의되어야 한다. 랜덤 액세스 채널의 시퀀스 길이가 2.4ms이므로 CP와 GT의 길이를 대략 1.8ms로 할 경우 랜덤 액세스 채널의 길이는 6ms로 6개의 부프레임 길이에 해당하게 된다. 구현을 용이하기 위해 CP의 길이를 기존 LTE 랜덤 액세스 채널 format의 정수 배가 되도록 하기 위해 대략 1.8ms에 해당하는 기존 LTE 랜덤 액세스 채널 format 2의 CP길이의 9배로 정의하고, 6ms의 랜덤 액세스 채널 길이에서 2.4ms의 시퀀스 길이와 CP 길이를 제외한 나머지 부분이 GT로 정의된다.

반면, 셀 크기가 크거나 단말에서 충분한 전력으로 송신하지 못할 경우 랜덤 액세스를 위한 링크마진을 확보하지 못할 가능성이 있기 때문에 이 경우를 고려하기 위해 시퀀스 길이가 2배가 되는 또 다른 랜덤 액세스 채널 format을 정의한다. 따라서 이 format의 랜덤 액세스 채널 시퀀스 길이는 4.8ms가 된다. 랜덤 액세스 채널의 시퀀스 길이가 4.8ms이므로 CP와 GT의 길이를 대략 2.1ms로 할 경우 랜덤 액세스 채널의 길이는 9ms로 9개의 부프레임 길이에 해당하게 된다. 구현을 용이하기 위해 CP의 길이를 기존 LTE 랜덤 액세스 채널 format의 정수 배가 되도록 하기 위해 대략 1.8ms에 해당하는 기존 LTE 랜덤 액세스 채널 format 2의 CP길이의 9배로 정의하고, 9ms의 랜덤 액세스 채널 길이에서 4.8ms의 시퀀스 길이와 CP 길이를 제외한 나머지 부분이 GT로 정의된다.

도 4는 랜덤 액세스 채널 구조를 보여주는 도면이다.

표 1은 도 4의 랜덤 액세스 채널 파라미터를 정의한 것으로, 여기서 Ts는 샘플링 주기로 Ts=1/(15000×2048)값을 가진다.

제안한 랜덤 액세스 채널 프리앰블이 기존 LTE 데이터 전송 블록과 호환성을 유지하면서 간섭없이 동작하기 위한 기존 LTE 전송 블록과의 주파수 다중화 방법은 아래 식과 같다.

여기서

는 상향링크 전송자원 블록 수,

는 PRACH를 위해 처음 할당되는 자원 블록을 의미하며 이 값은 상위 계층에서 정의되는

에 의해 정의된다.

기본 LTE의 경우 839길이를 가지는 Zadoff-Chu 시퀀스로부터 랜덤 액세스 프리앰블을 생성하며, 제안하는 랜덤 액세스 채널 또한 기본 LTE와 호환성을 유지하면서 단말 칩셋 비용을 낮추기 위해 기존 LTE의 Zadoff-chu 시퀀스를 그대로 재사용한다. 이러한 Zadoff-Chu 시퀀스 기반의 랜덤 액세스 프리앰블을 기존보다 1/3 대역폭에서 전송하기 위해 랜덤 액세스 채널 신호는 다음과 같이 전송된다.

여기서 t는

의 값을 가지며,

는 전송 전력을 결정하기 위한 크기 조절 지수이며,

는 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스를,

이다. 주파수 도메인에서 그 위치는 상위계층에서 알려주는 PRACH를 위해 할당되는 첫 번째 물리자원 블록인 파라미터

에 의해 제어된다. 또한

값은 제안하는 랜덤 액세스용과 상향링크 데이터 전송용 부반송파 간격들 간의 차이를 나타내는 값이다. 제안하는 랜덤 액세스 프리앰블 부반송파 간격을 나타내는 변수

와 물리 자원 블록 내에서 랜덤 액세스 프리앰블의 주파수 도메인 위치를 결정하는 오프셋 φ값은 기존 데이터 전송 블록과 호환성을 유지하면서 직교성을 상실하지 않게 아래 표 2와 같이 정의된다.

도 5는 위에서와 같이 기존 데이터 전송 블록에 제안하는 랜덤 액세스 프리앰블을 맵핑하는 것을 보여주는 도면이다. 도 6은 제안하는 랜덤 액세스 채널 format 4와 5를 가지고 랜덤 액세스 채널 전송 및 수신하는 절차를 보여주는 도면이다. 도 5, 6을 참조하면, 먼저 기존 랜덤 액세스 채널 format으로 동작이 가능한 셀 반경을 R_TH1이라고 할 때, 셀 반경이 R_TH1 이하인 경우 기존의 랜덤 액세스 채널 format을 가지고도 동작이 가능하기 때문에 기존 format 0, 1, 2, 3을 가지고 기존 LTE 방식으로 랜덤 액세스 채널 전송 및 수신을 하면 된다. 앞에서 고려한 위성이동통신망의 경우 R_TH1은 75km에 해당할 것이다. 반면, 셀 반경이 R_TH1 이상일 경우 기존 format을 가지고는 저복잡도의 주파수 영역 프로세싱을 통한 랜덤 액세스 프리앰블 수신 및 시스템 용량 저하를 가져오기 때문에 제안한 랜덤 액세스 채널 format 5와 6을 이용한다. 단말들 간 왕복지연시간차 최대 1.8ms 이내에 해당하는 셀 반경을 R_TH2라고 할 때, 위성과 단말간의 충분한 링크마진이 확보된다면 랜덤 액세스는 format 4를 이용한다. Format 4의 랜덤 액세스 채널의 경우 주파수 도메인에서 2RB에 해당하는 대역폭을, 시간 도메인에서는 6개의 부프레임에 해당하는 시간 구간을 가진다. 따라서 기지국은 format 4에 해당하는 전송 자원 구간을 랜덤 액세스 채널용으로 할당한다. 기지국은 랜덤 액세스 채널용으로 할당된 자원 구간 외에서 데이터 전송을 스케줄링 할 수 있다. 기지국에 의해서 할당된 랜덤 액세스 채널용 전송 자원은 BCH를 통해 단말로 수신되며, 단말은 이 정보를 바탕으로 할당된 전송구간에서 상향링크 랜덤 액세스 신호를 전송한다. 각 단말에서 전송된 신호는 기지국에서 format 4의 CP 구간 이내에 모두 도착하기 때문에, 기존 LTE에서 프리앰블 검파 방식을 그대로 재사용하여 하나의 FFT에서 저복잡도 주파수 영역 프로세싱을 통한 프리앰블 검파를 하게 된다. 반면, 위성과 단말간의 충분한 링크마진이 확보되지 않는다면 랜덤 액세스는 format 5를 이용한다. Format 5의 랜덤 액세스 채널의 경우 주파수 도메인에서 2RB에 해당하는 대역폭을, 시간 도메인에서는 9개의 부프레임에 해당하는 시간 구간을 가진다. 따라서 기지국은 format 5에 해당하는 전송 자원 구간을 랜덤 액세스 채널용으로 할당한다. 기지국은 랜덤 액세스 채널용으로 할당된 자원 구간 외에서 데이터 전송을 스케줄링 할 수 있다. 기지국에 의해서 할당된 랜덤 액세스 채널용 전송 자원은 BCH를 통해 단말로 수신되며, 단말은 이 정보를 바탕으로 할당된 전송구간에서 상향링크 랜덤 액세스 신호를 전송한다. 각 단말에서 전송된 신호는 기지국에서 format 5의 CP 구간 이내에 모두 도착하기 때문에, 기존 LTE에서 프리앰블 검파 방식을 그대로 재사용하여 하나의 FFT에서 저복잡도 주파수 영역 프로세싱을 통한 프리앰블 검파를 하게 된다. 제안하는 format 5는 단말들 간 왕복지연시간차 최대 2.1ms 이내에 해당하는 셀 반경 R_TH3 이하일 경우에도 똑 같은 방식으로 사용된다.

그러나 단말들 간 왕복지연시간차가 셀 반경 R_TH3을 초과할 경우에는, 단말들이 송신한 랜덤 액세스 신호가 CP 구간 밖에서 수신될 수 있기 때문에 하나의 Window에서 주파수 영역 프로세싱을 할 수 없다. 따라서 이 경우에는 다수의 Window에서 고복잡도 시간 영역 프로세싱을 통한 프리앰블 검파를 진행한다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively)처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (4)

1. 단말기가 셀 반경의 크기를 판단하는 (a) 단계;
   상기 단말기가 상기 셀 반경이 일정 기준을 초과하는 경우, 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격을 지상 LTE 데이터 채널 및 지상 LTE 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격의 1/n(n은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 (b) 단계; 및
   상기 단말기가 랜덤 액세스 프리앰블의 길이를 지상 LTE 부프레임 길이의 m(m은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 (c) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 셀 영역을 가지는 이동통신 시스템에 있어서의 랜덤 액세스 채널 생성 방법.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 랜덤 액세스 프리앰블은 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스, CP(Cyclic Prefix) 및 GT(Guard Time)를 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 셀 영역을 가지는 이동통신 시스템에 있어서의 랜덤 액세스 채널 생성 방법.
   
3. 셀 반경의 크기를 판단하는 판단부;
   상기 판단부가 판단한 상기 셀 반경이 일정 기준을 초과하는 경우, 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격을 지상 LTE 데이터 채널 및 지상 LTE 랜덤 액세스 채널의 부반송파 간격의 1/n(n은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 제1 설정부 및
   랜덤 액세스 프리앰블의 길이를 지상 LTE 부프레임 길이의 m(m은 1보다 큰 정수)배로 설정하는 제2 설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 셀 영역을 가지는 이동통신시스템에 있어서의 랜덤 액세스 채널을 생성하는 장치.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 랜덤 액세스 프리앰블은 랜덤 액세스 프리앰블 시퀀스, CP(Cyclic Prefix) 및 GT(Guard Time)를 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 셀 영역을 가지는 이동통신 시스템에 있어서의 랜덤 액세스 채널을 생성하는 장치.
   

Images