(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) Int. Cl. H04L 27/26 (2006.01) H04B 7/26 (2006.01) H04L 12/28 (2006.01) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2006 년 11 월 27 일 10-0650116 2006 년 11 월 20 일 (21) 출원번호 10-2005-0081791 (65) 공개번호 (22) 출원일자 2005년09월02일 (43) 공개일자 심사청구일자 2005년09월02일 (73) 특허권자인하대학교산학협력단인천남구용현동 253 인하대학교 (72) 발명자장경희서울특별시양천구목 1 동 925 목동신시가지아파트 720 동 501 호 차인석인천동구송림동진로아파트 102 동 1807 호 허주인천광역시중구신흥동 3 가 400-721 현대아이파크 106 동 104 호 (74) 대리인이원희 (56) 선행기술조사문헌 EP1178641 A1 KR1020050039453 A KR1020050064156 A * 심사관에의하여인용된문헌 KR1020040041009 A KR1020050041857 A 심사관 : 유환철 전체청구항수 : 총 13 항 (54) 주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널할당방법및동적전력할당방법과이를지원하는프레임구조 (57) 요약 본발명은 OFDMA 시스템에서동적자원할당방식을고려한적응전송전력할당방식을적용하여시스템의성능을향상시킬수있도록하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널할당방법및동적전력할당방법과이를지원하는프레임구조및슬롯구조를제공한다. - 1 -
본발명은각기지국은자신이서비스를제공하는이동단말로부터채널상황을피드백받아각이동단말의공평성 (Fairness) 을고려하여각각의이동단말에 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio) 이높은서브채널그룹들을할당하는단계및상기이동단말별할당받은채널의상태에따라전력을할당하는단계를수행하여다중이동단말다이버시티이득을획득하도록한다. 대표도 도 2 특허청구의범위 청구항 1. 각각이복수의섹터들로이루어진셀들로형성된셀구조를가지며, 상기셀들은상호직교성을가지는적어도하나의서브채널그룹을통해해당셀내의이동단말들과의데이터통신을수행하는 OFDMA 시스템의채널할당방법에있어서, 이동단말이현재까지할당받은전송률의합을이동단말이요구한전송률로나눈비가가장작은이동단말을우선적채널할당후보로선정하는단계 ; 및 상기우선적채널할당후보로선정된이동단말의채널정보및거리정보를이용하여내부셀에있는이동단말은제 1 주파수재사용율을갖는서브채널그룹중에서, 외부셀에있는이동단말은제 2 주파수재사용율을갖는서브채널그룹중에서소정서브채널그룹을선정하여해당서브채널그룹의서브캐리어를동적으로할당하는단계 ; 로이루어짐을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널할당방법. 청구항 2. 제 1 항에있어서, 상기제 1 주파수재사용율은주파수재사용율이 1 이고, 제 2 주파수재사용율은주파수재사용율이 3 인것을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널할당방법. 청구항 3. 각각이복수의섹터들로이루어진셀들로형성된셀구조를가지며, 상기셀들은상호직교성을가지는적어도하나의서브채널그룹을통해해당셀내의이동단말들과의데이터통신을수행하는 OFDMA 시스템의전력할당방법에있어서, 소정 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨이상의 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio) 을가진이동단말의전력에서기정해진기준 MCS 레벨의전력을뺀후저장하는단계 ; 및 소정 MCS 레벨이하의 SINR 을가진이동단말중에서현재 MCS 레벨을하나증가시키는데필요한 SINR 값이최소인이동단말에게필요한전력을가산하여이동단말의서브채널별동적전력할당을행하는단계 ; 로이루어짐을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적전력할당방법. 청구항 4. 각각의셀이내부셀과외부셀로이루어짐과더불어각각의셀이복수의섹터들로이루어진셀들로형성된셀구조를가지며, 상기셀들은상호직교성을가지는적어도하나의서브채널그룹을통해해당셀내의이동단말들과의데이터통신을수행하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널및전력할당방법에있어서, - 2 -
각기지국은자신이서비스를제공하는이동단말로부터채널상황을피드백받아각이동단말의공평성 (Fairness) 및이동단말의거리정보를고려하여각각의이동단말에 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio) 이높은서브채널그룹들을할당하는단계 ; 및 상기이동단말별할당받은채널의상태에따라전력을할당하는단계 ; 를수행하여다중이동단말다이버시티이득을획득하도록함을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널및전력할당방법. 청구항 5. 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당을지원하기위한 OFDMA 시스템의프레임구조에있어서, 각각 4 개의슬롯으로하나의프레임이구성되고, 각각 5 개의프레임으로하나의슈퍼프레임이구성됨을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는프레임구조. 청구항 6. 제 5 항에있어서, 상기슬롯은 5ms 단위로구성됨을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는프레임구조. 청구항 7. 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당을지원하기위한 OFDMA 시스템의슬롯구조에있어서, 상기슬롯은매슬롯마다이동단말이모든서브채널그룹의 CINR 값을측정하도록 CINR 측정용프리엠블가지며, 매슈퍼프레임마다이동단말의위치정보를전송하기위한 OFDM 심볼을가지며, 이동단말이내부셀영역에있는지또는외부셀영역에있는지의구별을위해이동단말에해당이동단말의위치정보전송을위한 OFDM 심볼을가지며, 이동단말의채널정보를이용한서브캐리어재할당및적응변조를위한복수개의 OFDM 심볼을가지는것을특징으로하는 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조. 청구항 8. 제 7 항에있어서, 상기슬롯은슈퍼프레임을시작하는첫번째하향링크슬롯인것을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조. 청구항 9. 제 7 항에있어서, 상기이동단말의채널정보를이용한서브캐리어재할당및적응변조를위한 OFDM 심볼은 4 개의 OFDM 심볼인것을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조. 청구항 10. 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당을지원하기위한 OFDMA 시스템의슬롯구조에있어서, - 3 -
상기슬롯은매슬롯마다이동단말이모든서브채널그룹의 CINR 값을측정하도록 CINR 측정용프리엠블가지며, 매슈퍼프레임마다이동단말의위치정보전송을위한 OFDM 심볼을가지며, 이동단말의채널정보를이용한서브캐리어재할당및적응변조를위한복수개의 OFDM 심볼을가지는것을특징으로하는 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조. 청구항 11. 제 10 항에있어서, 상기슬롯은하향링크슬롯으로, 슈퍼프레임을시작하는첫번째하향링크슬롯이외의하향링크슬롯인것을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조. 청구항 12. 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당을지원하기위한 OFDMA 시스템의슬롯구조에있어서, 상기슬롯은매슬롯마다의적응변조를위해, 매슬롯마다이동단말이모든서브채널그룹의 CINR 값을측정하도록 CINR 측정용프리엠블가지며, 매슈퍼프레임마다이동단말의위치정보전송을위한 OFDM 심볼을가지며, 적응변조를위한복수개의 OFDM 심볼을가지는것을특징으로하는 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조. 청구항 13. 주파수재사용율분할방식을기반으로하는 OFDMA 시스템에서의동적자원할당방식을운용하기위한방법에있어서, 매슬롯마다 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 를하면서매프레임마다 DCA(Dynamic Channel Allocation) 와 DPA(Dynamic Power Allocation) 를행하여오버헤드를감소시킴을특징으로하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당방식운용방법. 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 발명이속하는기술및그분야의종래기술 본발명은직교주파수분할다중접속시스템에관한것으로, 특히직교주파수분할다중접속 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access : 이하, OFDMA 라칭함 ) 시스템에서동적자원할당방식을고려한적응전송전력할당방식을적용하여시스템의성능을향상시킬수있도록하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널할당방법및동적전력할당방법과이를지원하는프레임구조및슬롯구조에관한것이다. 무선환경에서이동성이보장되며고속의전송이가능한새로운서비스에대한필요성이대두되고있다. 이러한필요성에따라국내에서는 2.3GHz 대역의휴대인터넷서비스와이동고속무선패킷데이터 MBWA(Mobile Broadband Wireless Access) 서비스를위한기술개발및표준화작업이진행중이다. 직교주파수분할다중 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하, OFDM 라칭함 ) 방식은높은전송효율과간단한채널등화방식때문에가장주목받는기술중의하나이다. OFDM 방식을사용하는무선통신시스템의송신기 ( 기지국 ) 및수신기 ( 이동단말 ) 의동작을간략하게살펴보면다음과같다. - 4 -
OFDM 방식의송신기에서입력데이터는스크램블러, 부호화기, 인터리버를거쳐서서브캐리어 (Sub-Carrier) 로변조된다. 이때, 상기송신기는다양한가변전송률을제공하게되는데, 상기전송률에따라서각기다른부호화율, 인터리빙크기및변조방식을갖게된다. 통상적으로상기부호화기는 1/2, 3/4 등의부호율을사용하고, 연집에러를막기위한인터리버의크기는 OFDM 심볼당부호화된비트수에따라결정된다. 상기변조방식은요구된데이터전송률에따라 QPSK(Quarature Phase Shift Keying), 8PSK(8ary PSK), 16QAM(16ary Quarature Amplitude Modulation), 64QAM(64ary QAM) 등을사용한다. 상기한구성들에의해소정개수의서브캐리어로변조된심호는 IFFT 블럭을통과하여하나의 OFDM 신호를형성한다. 상기 OFDM 신호는다중경로채널환경에서의심볼간간섭을제거하기위해보호구간 (Guard Time) 이삽입된뒤심볼파형생성기를통과하여최종적으로무선주파수부에의해무선채널로전송된다. 이에대응하여수신기에서는상기송신기의역과정이일어나며아울러동기화과정이부가된다. 먼저, 정해진심볼들을이용하여주파수옵셋및심볼옵셋을추정하는과정이선행되어야한다. 그뒤에송신기에서삽입된보호구간을제거한데이터심볼이 FFT 블럭을통과하여소정개수의파일럿들이포함된소정개수의서브캐리어로복원된다. 경로지연현상을극복하기위해등화기는채널상태를추정하여수신신호로부터채널에의한신호왜곡을제거한다. 상기등화기를통과하여채널응답이보상된데이터는비트열로변환되어디인터리버를통과한다음, 에러정정을위한복호화기와디스크램블러를거쳐서최종데이터로복원된다. 이러한 OFDM 방식에서는입력데이터를단일반송파로고속전송을하는대신다수의반송파상에서병렬로저속전송을행하게된다. 즉, 상기 OFDM 방식은변 / 복조부의효율적인디지털구현이가능하고, 주파수선택적페이딩이나협대역간섭에대한영향을적게받는특징을가진다. 한편, 이동성이고려되는셀룰러환경에서 OFDM 다중접속기반의시스템성능을결정하는가장중요한특성은주파수재사용효율이다. 주파수재사용율을 1 로할경우, 기지국이모든무선자원을사용할수있기때문에기지국의쓰루풋 (Throughput) 측면에서가장이상적이라고할수있으나, 주파수재사용율을 1 로선정함에따라셀간간섭에의한심각한성능열화가발생한다. 따라서셀간간섭으로인한성능열화문제를해결하여주파수재사용율 1 을구현하기위하여, Flarion 사에서개발한 Flash-OFDM 시스템은 OFDM 의서브캐리어를일정한패턴으로변경시키는주파수호핑방식을사용하고, LDPC(Low Density Parity Check) 채널부호를이용하여셀간간섭에의한성능열화를최대한방지하는방식을사용한다. 이외에주파수재사용율 1 을구현하기위하여인접셀과서브캐리어의충돌을줄일수있도록서브캐리어를랜덤하게천공 (Puncturing) 하는방식등이연구되고있다. 그러나주파수재사용율을 1 로유지하는시스템의경우, 트래픽의부하가늘어남에따라셀간간섭으로인하여채널조건이열악한셀경계에서의성능열화가예상된다. 따라서주파수효율의향상뿐아니라셀경계와같이채널조건이열악한지역에위치한이동단말의성능을보장하기위한방법으로서주파수재사용율분할 (Frequency Reuse Partitioning) 방식에대한관심이높아지고있다. 주파수재사용율분할방식은셀룰러시스템의주파수효율을증가시킬수있는효과적인방법중의하나이다. 도 1 은일반적인주파수재사용율분할방식에대한개념을보여주고있다. 주파수재사용율분할방식의기본적인아이디어는셀을기지국에서이동단말까지의거리나혹은기지국에서이동단말로전송되는파일럿 (Pilot) 신호의세기를기준으로내부셀 (Inner Cell) 과외부셀 (Outer Cell) 로구분한다. 그리고내부셀과외부셀에서각각다른주파수재사용율을적용하는것이다. - 5 -
도 1 의경우, 이동단말이외부셀영역에존재할경우에는주파수재사용율 7 인서브채널이할당되며, 이동단말이내부셀영역에있을경우주파수재사용율 1 인서브채널이할당되는것을볼수있다. 상기와같이내부셀및외부셀에서로다른주파수재사용율을가진채널을할당하려는이유는일반적으로기지국과가까이있는이동단말의경우, 기지국에서멀리떨어져있는이동단말에비하여경로손실 (Path Loss) 에의한전력손실이적기때문에상대적으로채널상태가좋지만, 셀경계부근에존재하는이동단말의경우에는경로손실에의한전력손실및셀간간섭의영향을심하게받게되므로, 성능이열화되고데이터전송률이제약을받게되어셀룰러시스템의셀반경을제한하는중요한요인이되기때문이다. 따라서주파수재사용율분할방식을사용할경우에내부셀영역의이동단말은일반적으로채널상황이좋기때문에, 적절한 QoS(Quality of Service) 수준정도만을보장할수있도록낮은주파수재사용율의채널을할당하여셀의용량을높이고, 또한외부셀영역의이동단말은상대적으로채널상황이열악하므로, 높은주파수재사용율의채널을할당하여셀반경을늘리고셀경계의이동단말역시내부셀에존재하는이동단말과동일한수준의 QoS 및데이터전송률을보장할수있다. 또한, 최근에셀간간섭을줄이면서제한된주파수자원을효과적으로이용하기위한무선자원할당방식이연구되고있다. 만약, 채널이안정적 (Stationary) 이고이동단말의채널응답을송신단에서정확히안다고가정하면, 워터 - 필링 (Water- Filling) 과적응변조 (Adaptive Modulation) 기법을결합한방식이최적인것으로알려져있다. 그러나워터 - 필링 (Water-Filling) 방식은단일이동단말 (Single-User) 시스템이거나고정적인자원할당을지원하는다중이동단말 (Multi-User) 시스템에서만주로연구되어왔는데, 예를들면 TDMA(Time Division Multiple Access) 나 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 를사용하는시스템은각각의이동단말들을위하여일정시간슬롯이나주파수채널을할당한다음, 각각의이동단말들이가지고있는채널에대하여적응변조방식을적용하였다. 그러나위와같은고정적인자원할당에기반을두고적응변조방식을적용하는다중이동단말 OFDM 방식으로는실제시스템이제공할수있는최적인자원할당을할수없다. 그이유는주파수선택적채널 (Frequency Selective Channel) 의특성상딥페이딩 (Deep Fading) 을겪게되는서브채널이나, 전력을많이할당하기어려운서브채널들이존재하여워터 - 필링 (Water-Filling) 알고리즘을적용하면, 사용되지않는채널들은많이존재하기때문이다. 그러나한이동단말에게딥페이딩으로보이는채널이다른이동단말에게는딥페이딩채널이아닐수있으며, 일반적으로이동단말의수가늘어나게되면 OFDM 을구성하고있는각각의서브채널이모든이동단말에게딥페이딩채널일확률이점점더줄어들게된다. 즉, 이동단말의수가늘어나면늘어날수록독립적인채널을겪게됨에따라다중이동단말다이버시티이득 (Multi-User Diversity Gain) 을얻을수있다. 따라서모든이동단말의채널정보를기준으로각각의이동단말에게상대적으로좋은채널을동적으로할당하고, 그러한채널들을사용하여적응변조방식을적용한후, 할당받은채널의상태에따라동적전력을할당함으로써시스템이제공할수있는최적의자원할당에좀더근접할수있는방안들이모색되고있다. 발명이이루고자하는기술적과제 본발명은이러한점을감안한것으로, 본발명의목적은 OFDMA 시스템에서주파수재사용율분할방식의개념을접목하여이동단말의채널상황을근거로 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio) 이높은채널그룹의서브캐리어를동적으로할당함으로써이동단말들이보다좋은채널을할당받을수있도록한주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널할당방법을제공함에있다. - 6 -
본발명의다른목적은이동단말별할당받은채널의상태에따라동적으로전력을할당하여다중이동단말다이버시티이득 (Multi-user Diversity Gain) 을획득하도록한주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적전력할당방법을제공함에있다. 본발명의또다른목적은 OFDMA 시스템을위한동적채널할당과동적전력할당방식등의동적자원할당을지원하기위해슬롯단위로는 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 만을적용하고프레임단위로 DAC(Dynamic Channel Allocation), DPA(Dynamic Power Allocation) 와 AMC 를함께사용하는주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널및전력할당을지원하는프레임구조및슬롯구조를제공함에있다. 발명의구성 상기본발명의목적을달성하기위한본발명에따른주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널할당방법은, 각각이복수의섹터들로이루어진셀들로형성된셀구조를가지며, 상기셀들은상호직교성을가지는적어도하나의서브채널그룹을통해해당셀내의이동단말들과의데이터통신을수행하는 OFDMA 시스템의채널할당방법에있어서, 이동단말이현재까지할당받은전송률의합을이동단말이요구한전송률로나눈비가가장작은이동단말을우선적채널할당후보로선정하는단계 ; 및상기우선적채널할당후보로선정된이동단말의채널정보및거리정보를이용하여내부셀에있는이동단말은제 1 주파수재사용율을갖는서브채널그룹중에서, 외부셀에있는이동단말은제 2 주파수재사용율을갖는서브채널그룹중에서소정서브채널그룹을선정하여해당서브채널그룹의서브캐리어를동적으로할당하는단계 ; 로이루어짐을특징으로한다. 상기제 1 주파수재사용율은주파수재사용율이 1 이고, 제 2 주파수재사용율은주파수재사용율이 3 이며, 상기소정서브채널그룹은 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio) 이높은서브채널그룹인것을특징으로한다. 상기목적을달성하기위한본발명의주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적전력할당방법은, 각각이복수의섹터들로이루어진셀들로형성된셀구조를가지며, 상기셀들은상호직교성을가지는적어도하나의서브채널그룹을통해해당셀내의이동단말들과의데이터통신을수행하는 OFDMA 시스템의전력할당방법에있어서, 소정 MCS(Modulation and Coding Scheme) 이상의 SINR 을가진이동단말의전력에서기준 MCS 레벨의전력을뺀후저장하는단계 ; 및소정 MCS 레벨이하의 SINR 을가진이동단말중에서현재 MCS 레벨을하나증가시키는데필요한 SINR 값이최소인이동단말에게필요한전력을가산하여이동단말의서브채널별동적전력할당을행하는단계 ; 로이루어짐을특징으로한다. 상기목적을달성하기위한본발명의주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적채널및전력할당방법은, 각각의셀이내부셀과외부셀로이루어짐과더불어각각의셀이복수의섹터들로이루어진셀들로형성된셀구조를가지며, 상기셀들은상호직교성을가지는적어도하나의서브채널그룹을통해해당셀내의이동단말들과의데이터통신을수행하는 OFDMA 시스템의자원할당방법에있어서, 각기지국은자신이서비스를제공하는이동단말로부터채널상황을피드백받아각이동단말의공평성 (Fairness) 을고려하여각각의이동단말에 SINR 이높은서브채널그룹들을할당하는단계 ; 및상기이동단말별할당받은채널의상태에따라전력을할당하는단계 ; 를수행하여다중이동단말다이버시티이득을획득하도록함을특징으로한다. 상기목적을달성하기위한본발명의주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는프레임구조는, 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당을지원하기위한 OFDMA 시스템의프레임구조에있어서, 각각 4 개의슬롯으로하나의프레임이구성되고, 각각 5 개의프레임으로하나의슈퍼프레임이구성됨을특징으로한다. 상기목적을달성하기위한본발명의주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조는, 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당을지원하기위한 OFDMA 시스템의슬롯구조에있어서, 상기슬롯은매슬롯마다이동단말이모든서브채널그룹의 CINR 값을측정하도록 CINR 측정용프리엠블가지며, 매슈퍼프레임마다이동단말이내부셀영역에있는지또는외부셀영역에있는지의구별을위해이동단말에해당이동단말의위치정보전송을위한 OFDM 심볼을가지며, 이동단말의채널정보를이용한서브캐리어재할당및적응변조를위한복수개의 OFDM 심볼을가지는것을특징으로한다. 상기슬롯은하향링크슬롯으로, 슈퍼프레임을시작하는첫번째하향링크슬롯인것을특징으로한다. - 7 -
상기목적을달성하기위한본발명의주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조는, 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당을지원하기위한 OFDMA 시스템의슬롯구조에있어서, 상기슬롯은매슬롯마다이동단말이모든서브채널그룹의 CINR 값을측정하도록 CINR 측정용프리엠블가지며, 이동단말의채널정보를이용한서브캐리어재할당및적응변조를위한복수개의 OFDM 심볼을가지는것을특징으로한다. 상기슬롯은하향링크슬롯으로, 슈퍼프레임을시작하는첫번째하향링크슬롯이외의하향링크슬롯인것을특징으로한다. 상기목적을달성하기위한본발명의주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당을지원하는슬롯구조는, 주파수재사용율분할방식을기반으로하는동적자원할당방식을지원하기위한 OFDMA 시스템의슬롯구조에있어서, 상기슬롯은매슬롯마다의적응변조를위해, 매슬롯마다이동단말이모든서브채널그룹의 CINR 값을측정하도록 CINR 측정용프리엠블가지며, 매슈퍼프레임마다이동단말의위치정보전송을위한 OFDM 심볼을가지며, 적응변조를위한복수개의 OFDM 심볼을가지는것을특징으로한다. 상기목적을달성하기위한본발명의주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템의동적자원할당방식운용방법은, 주파수재사용율분할방식을기반으로하는 OFDMA 시스템에서의동적채널및전력할당방식을운용하기위한방법에있어서, 매슬롯마다 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 를하면서매프레임마다 DCA(Dynamic Channel Allocation) 와 DPA(Dynamic Power Allocation) 를행하여오버헤드를감소시킴을특징으로한다. 이하, 본발명의바람직한실시예를첨부된도면을참조하여보다상세하게설명한다. 단, 하기실시예는본발명을예시하는것일뿐본발명의내용이하기실시예에한정되는것은아니다. 본발명은주파수재사용율분할방식기반 OFDMA/FDD(Frequency Division Duplexing) 시스템을기반으로하는것으로, OFDMA 방식은 OFDM 과마찬가지로입력데이터를 IFFT 변환및 FFT 변환을통해다수의서브캐리어상에서병렬로전송하게되나, 상기다수의서브캐리어를다수의가입자이동단말기들별로할당하는다중접속 (Multiple Access) 방식에의해신호를전송한다는점에서차이가있는것으로, 본발명은일반적인주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 시스템을따른다. 도 2 는본발명에따른주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 플랫폼 (Platform) 을위한기본적인셀계획 (Cell Planning) 을도시한것이다. 도시한바와같이, 각각의셀 (201-207) 들은정육각형의구조를가지며, 각셀 (201-207) 들은각각세개의섹터 (1,2,3) 로구성된다. 또한, 주파수재사용율분할방식의개념을각셀 (201-207) 의각각의섹터 (1,2,3) 에도입하여, 각각의섹터 (1,2,3) 는내부셀 (201a-207a) 및외부셀 (201b-207b) 영역으로나눈다. 그리고전체망을몇개의클러스터로나누는데, 도 2 와같이각클러스터는같은셀의세개의섹터로구성된다. 즉, 본발명에서하나의셀은하나의클러스터가된다. 도 3 은도 2 의하나의클러스터에서사용할수있는무선자원구조를나타낸것이다. 주파수영역에서는 (301) 과같이전체대역이 32 개의서브채널그룹으로구성되며 ( 도면에는일부만도시 ), 각서브채널그룹은 27 개의서브캐리어로구성되어있는경우를가정하고, 9 개의연속된서브캐리어의집합을빈 (302) 이라고정의한다. (303) 과같이빈 (302) 을구성하는 9 개의서브캐리어중의하나는채널추정이나 SINR 측정등여러용도로사용할수있는파일럿서브캐리어이다. 또한, 각각의서브캐리어초기전송전력은고정되어있다고가정한다. 서로다른서브채널그룹은서로다른주파수재사용율값을사용할수있으며, 주파수재사용율 (FPF) 1 과 3 의두값중한값을사용할수있다. - 8 -
어떤서브채널그룹의재사용률이 1 인경우에는클러스터에속하는세섹터모두이서브채널그룹의모든서브캐리어를사용할수있다. 재사용율이 3 인서브채널그룹의경우에는한서브채널그룹을구성하는 3 개의빈중에하나씩만을클러스터를구성하는 3 개의섹터에분배한다. 이동단말은한슈퍼프레임동안모든서브채널그룹에대해평균 SINR 값을자신이속한섹터에피드백한다. 각섹터는피드백정보를바탕으로좋은 SINR 값을가지는서브채널그룹의채널을이동단말에게할당한후, 할당된채널의수신 SINR 을바탕으로전력을할당하여다중이동단말다이버시티이득 (Multi-user Diversity Gain) 을획득할수있게한다. 본발명이제안하는채널할당알고리즘을도 4 와함께살펴본다. 이동단말에게채널을할당하기위해서먼저, 이동단말이현재까지할당받은전송률의합과이동단말이요구한전송률의비를고려한다. 즉, 현재까지할당받은전송률의합을이동단말이요구한전송률로나눈비가가장작은이동단말에게우선적으로채널을할당한다 (S410). 다음, 이동단말이내부셀 (Inner Cell) 영역에있는지, 아니면외부셀 (Outer Cell) 영역에있는지를고려하여채널을할당한다 (S420). 주파수재사용율분할방식의기본개념이기지국과가까운곳의이동단말에는주파수재사용률이낮은채널을할당하고, 먼곳에있는이동단말에는주파수재사용률이높은채널을할당하는것이므로, 이러한개념을채널할당알고리즘에접목하여, 기지국에근접한이동단말은주파수재사용율이 1 인서브채널그룹들에서, 기지국에서멀리떨어진이동단말은주파수재사용율이 3 인서브채널그룹들에서이동단말의채널상황을근거로하여 SINR 이높은좋은서브채널그룹의서브캐리어를동적으로할당받도록한다. 도 5a 는본발명에따른채널할당알고리즘의첫번째부분으로각각의이동단말에대하여현재까지할당받은전송률의합을이동단말이요구한전송률로나눈비가가장작은이동단말 1 을채널할당후보로선정함을보여주고있다. 도 5b 는이동단말 1 의채널정보및거리정보를이용하여내부셀에있는이동단말은주파수재사용율 1 인서브채널그룹중에서, 외부셀에있는이동단말은주파수재사용율 3 인서브채널그룹중에서가장좋은특성을보이는서브채널그룹을선정하여그서브채널그룹의서브캐리어를할당받는과정이다. 이러한과정을반복하여각각의이동단말에게채널을할당한다. 다음은본발명에따른동적전력할당알고리즘에대하여도 6a 의흐름도와함께살펴본다 이동단말에게전력을할당하기위해서는채널상황을근거로하여다음의두단계를통해전체이동단말에게전력을할당한다. 먼저, 특정 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨이상의 SINR 을가진이동단말의전력에서기준 MCS 레벨의전력을뺀후저장한다 (S610). 여기서, 상기기준 MCS 레벨에대하여간략히살펴보면, 일반적으로시스템은 AMC 를위하여여러개의사용가능한 MCS 레벨을설명한다. 예를들어, WiBro 시스템과같은경우 9 개의 MCS 레벨을설정하고있다. 가장낮은 MCS 레벨은 WiBro 의경우 1/12 Turbo Coding & QPSK 에해당하며, 가장높은 MCS 레벨은 5/6 Turbo Coding & 64QAM 에해당한다. 기준 MCS 레벨은 9 개의 MCS 레벨중의임의의하나의레벨, 예를들면 6 번째 MCS 레벨에해당한다. 상기와같이기준 MCS 레벨보다좋은채널을가진사용자로부터전력을회수하는상기단계 (S610) 를통해특정 MCS 레벨이상의 SINR 을가진모든이동단말의감소된전력을저장시킨다. 이후, 상기단계 (S610) 에서회수된전력을바탕으로전력을분배하는단계 (S620) 를수행하게된다. 상기단계 (S620) 는특정 MCS 레벨이하의 SINR 을가진이동단말중에서현재 MCS 레벨을하나증가시키는데필요한 SINR 값이최소인이동단말에게필요한전력을가산하여이동단말의서브채널별동적전력할당을수행한다. 여기서, 상기단계 (S610),(S620) 는내부셀과외부셀에대하여독립적으로운용되며, 낮은 SINR 을가진이동단말에게증가시켜주는전력의총합은높은 SINR 을가진이동단말에게서얻은전력의총합을넘지못한다. - 9 -
모든이동단말에게같은전력을할당하는것보다채널상황을토대로서브채널별전력을할당함으로써다중이동단말다이버시티를얻을수있다. 도 7 은본발명에따른주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 플랫폼을위한하향링크프레임구조를나타낸것이다. 하나의슈퍼프레임 (701) 은 5 개의프레임 (702) 으로구성되며, 프레임은 5ms 단위의슬롯 (703) 4 개로구성된다. DCA 와 DPA 를동작시키기위하여필요한채널정보는채널의변화속도에따라각각의슬롯 (703) 이나프레임 (702), 혹은슈퍼프레임 (701) 단위로이동단말에서기지국으로전송할수있다. 도 8 은본발명의구현을위한파라미터를나타낸것이다. DCA 와 DPA 에따른오버헤드의양을산출하기위하여, 매슬롯 (703) 마다 DCA 와 DPA 를수행하기때문에, 이동단말은슬롯 (703) 단위로기지국에모든그룹에대한채널정보를피드백하며, 기지국은슬롯 (703) 단위로이동단말에채널정보에의하여새로이할당된서브캐리어위치를전송한다고가정한다. 또한, 이동단말의위치정보는슈퍼프레임 (701) 단위로한번전송한다고가정한다. 그러면 DCA 와 DPA 를수행하기위하여기지국이전송해야할오버헤드는다음과같은 3 가지로분류할수있다. * 이동단말의위치정보 ( 슈퍼프레임단위 ) * 이동단말이모든서브채널그룹의 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio) 을측정할수있도록기지국에서제공되는 OFDM 프리엠블 (Preamble)( 매슬롯단위 ) * 기지국이이동단말에게할당한서브캐리어의할당정보 ( 매슬롯단위 ) 도 9 는본발명에따른동적자원할당알고리즘을위한슈퍼프레임을시작하는첫번째, 상, 하향링크슬롯을나타낸것으로, (901) 은슈퍼프레임을시작하는첫번째하향링크슬롯구조이다. 매슬롯마다이동단말이모든서브채널그룹의 CINR 값을측정하도록하나의 CINR 측정용프리엠블이있으며, 또한매슈퍼프레임마다이동단말의위치정보를각섹터에서전송하기위하여하나의 OFDM 심볼이사용된다. 이동단말이내부셀영역에있는지또는외부셀영역에있는지의여부는이동단말이주파수재사용율 1 인서브채널그룹에서 DCA 와 DPA 를수행할것인지혹은주파수재사용율 3 인서브채널그룹에서 DCA 와 DPA 를수행할것인지를결정하는중요한요소이다. 이동단말이내부셀영역에있으면 0 으로표시하고, 외부셀영역에있으면 1 로표기하면, 각각의이동단말에게할당된서브캐리어들에이동단말의위치정보를동일하게전송하는경우, 별도의코딩없이하나의 OFDM 심볼로서각각의이동단말에그들의위치정보를전송할수있다. 또한, 슬롯의뒷부분에는 4 개의 OFDM 심볼이이동단말의채널정보를이용한서브캐리어재할당및적응변조를위하여전송된다. 여기서, 4 개의 OFDM 심볼이사용된이유는다음과같다. 이동단말이기지국에전송한채널정보를기준으로기지국이이동단말에게할당한서브캐리어할당정보의양을계산하기위하여한섹터에서지원할수있는최대이동단말의수를 64 라고가정하고, 이동단말은낮은이동성 (Low Mobility) 및높은데이터율 (High Data Rate) 를요구하며, 기지국에서각각의이동단말의채널정보를기준으로기지국이가지고있는서브캐리어를이동단말에분배할때, 한번에 9 개의인접한 (Contiguous) 서브캐리어들을할당한다고가정한다. 그러면 16 개의주파수재사용율 1 인채널그룹과 16 개의주파수재사용율 3 인채널그룹을가지고있는섹터의경우, 9 개의연속된서브캐리어의단위로 (16 * 3 + 16) = 64 개가존재한다. 따라서각각의섹터는각각 64 개씩 9 개의연속된서브캐리어들의집합을이동단말에게할당하는것이다. 따라서 64 명을구분하기위해서는 6 비트가필요하며, 이것이 64 개가있어야하므로 6 * 64 = 384 비트가필요하다. - 10 -
또한, 채널코딩으로 1/2 Turbo + 4 Repetition 을고려할때, 총 384 * 2 * 4 = 3072 비트가소요된다. 또한, 변조로서 QPSK 를고려한다면, DCA 를위한서브캐리어할당정보전송을위해서필요한하향링크의오버헤드는 3072/(768 * 2) = 2 OFDM 심볼이다. 따라서매슬롯당 DCA 와 DPA 를위해서필요한하향링크오버헤드는 CINR 측정용으로사용되는하나의 OFDM 프리엠블과서브캐리어할당정보에해당하는 2 개의 OFDM 심볼의합으로총 3 OFDM 심볼이다. 낮은이동성 (Low Mobility) 을갖는이동단말을가정할때, DCA 와 DPA 뿐만아니라, AMC 를함께사용할수있다. 만약, 9 개의선택가능한 AMC 모드를가지고있으며, 9 개의인접한서브캐리어로구성되어있는빈의단위로 AMC 가가능하다고가정하며, 매슬롯단위로 AMC 를적용한다고가정한다면, 9 개의 AMC 모드를구분하는데 4 비트가소요되고채널코딩및변조로서 1/2 Turbo + 4 Repetition 와 QPSK 를고려하면추가로필요한데이터양은 (4 * 64 * 2 * 4) / (768 * 2) < 2 OFDM 심볼이다. 따라서이동단말의채널정보에의한서브캐리어재할당및적응변조를위하여필요한데이터정보량은 4 OFDM 심볼이된다. 도 9 에서 (902) 는슈퍼프레임을시작하는첫번째상향링크슬롯구조이다. DCA 와 DPA 를위하여필요한상향링크의오버헤드양은다음과같다. 각각의이동단말은하향링크로부터내려오는 CINR 측정용 OFDM 프리엠블을통하여전체서브채널그룹에대하여이동단말이내부셀영역에있다면, 주파수재사용율으로정해진서브채널그룹에대한 CINR 측정값을전송하며, 외부셀영역에있다면주파수재사용율 3 으로정해진서브채널그룹에대한 CINR 측정값을전송한다. 상향링크의오버헤드값을계산하기위하여이동단말이상향링크용으로 24 개의유효서브캐리어를할당받았다고가정한다. 이동단말이내부셀에있다고가정할때, 이동국은주파수재사용율 1 로할당된 16 개의서브채널그룹에대하여 CINR 값을기지국에전송해야한다. CINR 값은 32 개로분할되어있으며, 따라서 5 비트로표현된다고할때, 이동단말이기지국으로전송해야할정보량은 16 * 5 = 80 비트이다. 또한, 1/2 Turbo + 2 Repetition 의채널코딩과 QPSK 변조를고려할때, 실제필요한 OFDM 심볼의수는 (80 * 2 * 2)/ (24 * 2)<7 OFDM 심볼이다. 도 10 은본발명에따른동적자원할당방식을위한슈퍼프레임을시작하는첫번째상, 하향링크슬롯을제외한나머지상, 하향링크슬롯을나타낸것으로, (1001) 과 (1002) 는슈퍼프레임을시작하는슬롯이외의모든경우에대한상향및하향링크슬롯의구조이다. 상향링크슬롯구조 (1001) 의경우슈퍼프레임을시작하는첫번째상향링크슬롯구조 (902) 와그구조가동일하며, 하향링크슬롯구조 (1002) 의경우, 슈퍼프레임을시작하는첫번째하향링크슬롯구조 (901) 와는달리이동단말의위치정보를알리는 OFDM 심볼이없다. 도 11 과 12 는 DCA 와 DPA 를수행할때발생하는전체적인하향링크및상향링크오버헤드의양에해당한다. 매슬롯마다 DCA 와 DPA 를수행하기위해이동단말과기지국에서제공해야하는오버헤드가상당히많음을알수있다. 따라서 DCA 와 DPA 으로인한오버헤드를줄이기위한대안으로, 매번 DCA 와 DPA 와적응변조를함께하는것이아니라매슬롯마다적응변조를하면서매프레임마다한번씩 DCA 와 DPA 를하는것을고려한다. 이경우에는적응변조만을수행하는하향및상향링크슬롯구조는도 13 의 (1301), (1302) 와같으며, 매프레임을시작하는첫번째슬롯은적응변조와 DCA 와 DPA 를동시에수행하기때문에도 10 의 (1001), (1002) 와같은슬롯구조를가지며, 매슈퍼프레임을시작하는슬롯은적응변조와 DCA 와 DPA 를수행하고여기에각각의이동단말의위치정보를전송하기때문에도 9 의 (901), (902) 와같은슬롯구조를가진다. - 11 -
따라서전체적인하향링크오버헤드는도 14 와같이감소한다. 이를매슬롯마다적응변조만하는경우의오버헤드가 3/ 42 * 100 = 7.1% 임을감안할때, DCA 와 DPA 기법을추가하는데, 약 1.35% 정도의추가적인오버헤드가발생되는것을알수있다. 또한, 상향링크의오버헤드는매슬롯마다자신이할당받은서브채널에대한 CINR 만을전송하면되므로 1 OFDM 심볼이면되며, 매프레임마다한번씩동적자원할당을위하여전체서브채널그룹에대한 CINR 값을전송한다. 도 15 는상향링크의오버헤드에해당한다. 매슬롯단위로동적자원할당및적응변조를하는방식이아닌, 매슬롯단위로적응변조를수행하고매프레임단위로동적으로자원을할당하는것만으로도상당히많은상향링크오버헤드를줄일수있다. 상술한바와같이, 본발명의바람직한실시예를참조하여설명하였지만, 해당기술분야의숙련된당업자는하기의특허청구범위에기재된본발명의사상및영역으로부터벗어나지않는범위내에서본발명을다양하게수정또는변형하여실시할수있다. 발명의효과 이상에서설명한바와같이, 본발명은다음과같은효과를얻게된다. 첫째, 각기지국은자신이서비스를제공하는이동단말로부터채널상황을피드백받아각이동단말의공평성을고려하여각각의이동단말에좋은채널들을할당한후, 이동단말별할당받은채널의상태에따라전력을할당하여다중이동단말다이버시티이득을획드하도록하는동적자원할당알고리즘을하나의기지국을내부셀영역과외부셀영역으로나누고기지국으로부터멀리떨어져있는외부셀영역의이동단말에게주파수재사용율이높은채널을할당하는주파수재사용율분할방식의셀계획법에적용하여하향링크의쓰루풋및아웃티지확률을향상시킬수있게된다. 둘째, 슬롯단위로는 AMC 만을적용하고프레임단위로 DAC, DPA 와 AMC 를함께사용할수있도록하여오버헤드를줄이며, 하향링크및상향링크에서발생하는오버헤드를정량적으로분석하여하향링크의쓰루풋을향상시킬수있게된다. 도면의간단한설명 도 1 은일반적인주파수재사용율분할방식을개략적으로나타낸도. 도 2 는본발명을구현하기위한주파수재사용율분할방식기반 OFDMA 플랫폼의기본적인셀구조도. 도 3 은본발명에따른주파수재사용율분할방식기반동적채널할당방식을적용하기위한무선자원구조를나타낸도. 도 4 는본발명에따른동적채널할당알고리즘에대한흐름도. 도 5a 는본발명에따른동적채널할당알고리즘에따라무선자원을이동단말에게할당하기위하여공평성을기준으로채널을할당할이동단말선택에대한도. 도 5b 는본발명에따른동적채널할당알고리즘에따라이동단말의위치정보를기준으로주파수재사용율 1 또는 3 인서브채널그룹내에서가장좋은서브캐리어를이동단말에게할당하는것을나타낸도. 도 6 은본발명에따른동적전력할당알고리즘에대한흐름도. 도 7 은본발명에따른주파수재사용율분할방식에기반을둔동적채널및전력할당기법을적용하기위하여제안된프레임구조를나타낸도. 도 8 은본발명에따른동적채널및전력할당방식을적용하기위한기본적인파라미터를나타낸도. - 12 -
도 9 는본발명에따른동적채널및전력할당기법을위한슈퍼프레임을시작하는첫번째상, 하향링크슬롯을나타낸도. 도 10 은본발명에따른동적채널및전력할당기법을위한슈퍼프레임을시작하는첫번째상, 하향링크슬롯을제외한나머지상, 하향링크슬롯을나타낸도. 도 11 및도 12 는본발명에따른동적채널및전력할당기법을적용하였을때발생하는하향및상향링크오버헤드양을나타낸도. 도 13 은본발명에따른매슬롯단위로적응변조만을수행하는상향및하향링크슬롯구조를나타낸도. 도 14 및도 15 는본발명에따른동적채널및전력할당기법의오버헤드를줄이기위하여슬롯단위의적응변조및프레임단위의동적자원할당을적용하였을때발생하는하향및상향링크오버헤드양을나타낸도. < 도면의주요부분에대한부호의설명 > 201-207 : 셀 201a-207a : 내부셀 201b-207b : 외부셀 도면 도면 1-13 -
도면 2 도면 3-14 -
도면 4 도면 5a 도면 5b - 15 -
도면 6 도면 7 도면 8-16 -
도면 9-17 -
도면 10 도면 11-18 -
도면 12 도면 13-19 -
도면 14 도면 15-20 -