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KR101565696B1 - 공간그룹기반의 임의접속 방법 및 시스템 - Google Patents

공간그룹기반의 임의접속 방법 및 시스템 Download PDF

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KR101565696B1
KR101565696B1 KR1020140062211A KR20140062211A KR101565696B1 KR 101565696 B1 KR101565696 B1 KR 101565696B1 KR 1020140062211 A KR1020140062211 A KR 1020140062211A KR 20140062211 A KR20140062211 A KR 20140062211A KR 101565696 B1 KR101565696 B1 KR 101565696B1
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성단근
장한승
김수민
고갑석
차지영
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한국과학기술원
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Abstract

일실시예에 따른 노드가 기지국에 임의접속 절차를 수행하는 방법이 개시된다. 임의접속 절차를 수행하는 방법은, 기지국으로부터 생성된 셀의 공간 그룹 정보를 수신하는 단계, 셀의 공간 그룹 정보를 기초로 상기 노드에 대응하는 공간 그룹을 식별하는 단계, 프리앰블 신호를 생성하여 상기 기지국에 전송하는 단계 및 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 임의접속 응답 메시지를 수신하는 단계를 포함한다.

Description

공간그룹기반의 임의접속 방법 및 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR RANDOM ACCESS PROCEDURE BASED ON SPATIAL GROUP}
아래 실시예들은 OFDMA 기반의 셀룰러 시스템에서 임의접속(Random access) 기술에 관한 것이다.
무선 통신 시스템은 시분할, 주파수 분할, 코드분할 등의 다중 접속 방식을 이용해 주파수 대역이나 전송 시간 등의 전체 자원을 여러 개로 나누어 각 사용자의 요구 조건에 따라 스케줄링하여 자원을 공유하고 있다. 이러한 자원의 효율적 사용을 위해, 복수개의 노드들이 간헐적인 특성의 데이터를 상향 링크 공통 채널을 통해 전송하는 방식은 모든 노드가 전송 권한을 가지고 임의로 전송하는 임의접속 방식이다.
임의접속 방식들에는 노드가 서로 구분 가능한 코드에서 임의로 선택한 코드로 생성한 프리앰블을 먼저 기지국으로 전송하고, 기지국으로부터 해당 프리앰블에 대한 응답을 받은 후에 실제적인 임의접속용 데이터를 전송하는 방식이 있다. 이러한 임의접속용 데이터를 전송하는 방식은 프리앰블의 전송과 데이터 전송이 공통의 임의접속용 채널을 통해 이루어지고, 노드의 임의접속 요청과 무관하게 항상 별도의 자원 할당이 요구된다.
미래 셀룰러 네트워크에서 사물지능통신(Machine-to-machine communication; M2M 통신)이 더욱 각광을 받게 될 것이며 사물지능통신의 응용분야가 무궁무진하게 다양해 질 것이다. 다양한 사물지능통신 응용분야가 발생함에 따라서 노드들의 수가 급격히 증가할 것이며 수많은 노드들의 임의접속 요청으로 인해 기지국과 네트워크는 임의접속 과부하 현상을 겪게 될 것이다. OFDMA 기반의 셀룰러 시스템의 셀 안에서 많은 수의 노드들을 수용해야 하고 그들의 임의접속 요청을 받아들일 수 있는 충분한 임의접속 자원이 필요하다. OFDMA 기반의 셀룰러 시스템 중에 3GPP LTE 시스템 에서는 기존 임의접속 방식에 사용되는 프리앰블의 수는 64개로 제한되어 있다. 제한된 64개의 프리앰블을 가지고 수많은 노드들이 임의접속을 시도할 경우 임의접속 충돌확률이 높아지고 임의접속 지연시간이 길어져, QoS를 만족시키지 못할 수 있는 상황이 발생한다. 따라서 더 많은 노드들을 수용하기 위해서 기존의 임의접속응답 메시지 안의 고정된 프리앰블 식별 비트 수와 물리적 임의접속 채널(Physical random access channel)을 가지고 더욱 많은 프리앰블을 생성할 수 있는 새로운 기술이 필요하다.
실시예들은 더 많은 프리앰블을 생성하기 위해 셀 안의 공간을 그룹화하여 다수의 공간 그룹을 형성하는 것을 목적으로 한다.
기존방식에 사용된 루트 인덱스(Root index) 수와 임의접속응답 메시지 안의 프리앰블 식별 비트 수를 동일하게 이용하면서도 임의접속 충돌확률을 낮추고 임의접속 지연시간을 줄이는 임의접속 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
임의접속 절차를 수행하는 방법은, 상기 기지국으로부터 생성된, 셀의 공간 그룹 정보를 수신하는 단계, 상기 셀의 공간 그룹 정보를 기초로 상기 노드에 대응하는 공간 그룹을 식별하는 단계, 프리앰블 신호를 생성하여 상기 기지국에 전송하는 단계 및 상기 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 임의접속 응답 메시지를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 셀의 공간 그룹은, 상기 셀의 기지국으로부터의 거리를 기초로 생성될 수 있다.
다른 일 측에 따르면, 상기 노드에 대응하는 공간 그룹을 식별하는 단계는, 상기 셀의 기지국이 전송한 기준 신호 세기를 수신하는 단계, 상기 기준 신호 세기의 감쇄 정도에 따라 상기 기지국으로부터 상기 노드까지의 거리를 측정하는 단계 및 상기 기지국으로부터 수신한 상기 공간 그룹 정보에서 상기 노드에 대응하는 공간 그룹 정보를 식별하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측에 따르면, 상기 프리앰블 신호를 생성하는 단계는, 상기 공간 그룹의 영역 거리를 이용하여 순환 이동(cyclic shift) 크기를 결정하는 단계 및 상기 공간 그룹에 할당된 그룹 루트 인덱스 및 상기 순환 이동 크기를 이용하여 프리앰블을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측에 따르면, 상기 임의접속 응답 메시지를 수신하는 단계는, 상기 임의접속 응답 메시지에 있는 프리앰블 식별 번호 및 시간 정렬(Timing alignment) 정보에 기초하여 상기 노드에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측에 따르면, 상기 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계는, 상기 시간 정렬 정보가 상기 공간 그룹의 시간 정렬 정보 범위에 대응하는 상기 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기지국이 노드와 임의접속 절차를 수행하는 방법이 개시된다. 여기서 기지국의 임의접속 수행 방법은, 상기 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 단계, 상기 노드에 상기 형성된 공간 그룹 정보를 전송하는 단계, 상기 노드로부터 프리앰블 신호를 수신하는 단계 및 상기 프리앰블 신호에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 단계는, 상기 기지국으로부터의 거리를 기초로 공간 그룹을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 단계는, 상기 기지국이 이용 가능한 루트 인덱스의 개수와 동일한 수로 공간 그룹의 수를 결정할 수 있다.
다른 일 측에 따르면, 상기 공간 그룹에 속한 노드들의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키면서 각 그룹간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 상기 공간 그룹의 그룹 영역의 거리를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측에 따르면, 상기 공간 그룹 정보는, 상기 공간 그룹의 그룹 영역 거리 및 루트 인덱스를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 기지국으로부터 형성된, 셀의 공간 그룹 정보를 수신하는 그룹 정보 수신부, 노드에 대응하는 공간 그룹을 식별하는 식별부, 프리앰블 신호를 생성하는 프리앰블 생성부, 상기 생성된 프리앰블을 상기 기지국에 전송하는 전송부 및 상기 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 유효한 임의접속 응답 메시지를 검색하는 검색부를 포함하는 임의접속 수행 노드가 개시된다.
일 측에 따르면, 상기 식별부는, 상기 셀의 기지국이 전송한 기준 신호 세기를 수신하고, 상기 기준 신호 세기의 감쇄 정도에 따라 상기 기지국으로부터 상기 노드까지의 거리를 측정하여, 상기 기지국으로부터 수신한 상기 공간 그룹 정보에서 상기 노드에 대응하는 공간 그룹 정보를 식별할 수 있다.
다른 일 측에 따르면, 상기 프리앰블 생성부는, 상기 공간 그룹의 영역 거리를 이용하여 순환 이동 크기를 결정하고, 상기 공간 그룹에 할당된 그룹 루트 인덱스 및 상기 순환 이동 크기를 이용하여 프리앰블을 생성할 수 있다.
또 다른 일 측에 따르면, 상기 검색부는, 상기 임의접속 응답 메시지에 있는 프리앰블 식별 번호 및 시간 정렬(Timing alignment) 정보를 이용하여 상기 노드에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색할 수 있다.
일실시예에 따르면, 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 공간 그룹 형성부, 노드에 상기 형성된 공간 그룹 정보를 전송하는 공간 그룹 정보 전송부, 상기 노드로부터 프리앰블 신호를 수신하는 수신부 및 상기 프리앰블 신호에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 전송하는 임의접속 응답 메시지 전송부를 포함하는 임의접속을 수행하는 기지국이 개시된다.
도 1은 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방법에서 노드의 그룹 식별 방법과 프리앰블 생성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속을 수행하는 시스템에서의 임의접속 수행 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 일실시예에 따른 노드의 임의접속 수행 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 일실시예에 따른 기지국의 임의접속 수행 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 일실시예에 따른 임의접속을 수행하는 노드의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 임의접속을 수행하는 기지국의 구성을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 일실시예에 따라 공간 그룹 기반의 임의접속을 통한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방법에서 공간 그룹의 공유 영역을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11 및 도12는 일실시예에 따라 거리 추정 에러를 반영한 공간 그룹 기반의 임의접속을 통한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
고속의 패킷 전송을 위한 다양한 송신 또는 수신 기법을 구현하기 위해서는 시간, 공간 및 주파수 영역에 대한 다양한 데이터 전송이 필요한데, 임의접속 절차를 수행하기 위해서는 임의접속 프리앰블(preamble)의 전송이 필요하다. 상향 링크 제어정보나 임의접속 프리앰블을 전송하기 위해서는 시퀀스(sequence)가 널리 사용된다. 시퀀스는 확산부호(spreading code), 단말 식별자, 시그니처(signature)의 형태로 단독 또는 제어 정보와 함께 제어채널이나 임의접속 채널을 통해 전송된다.
OFDMA 기반의 셀룰러 시스템 중 3GPP LTE 시스템에서의 프리앰블(preamble)은 Zadoff-Chu(ZC) 시퀀스를 이용하여 만들어질 수 있다. 프리앰블 신호는 데이터 통신에서 두 시스템의 동기를 맞추기 위해 사용되는 신호를 말한다. LTE 시스템에서 ZC 시퀀스는 채널 추정을 위한 참조 신호, 동기를 위한 PSS / SSS (Primary Synchronization Signals/ Secondary Synchronization Signals)신호, 네트워크 초기 접속을 위한 임의접속 프리앰블의 생성에 사용될 수 있다. 또한, 임의접속 절차는 상향 링크 시 단말이 기지국과 최초 접속할 때 수행되며, 단말이 기지국에 데이터를 전송하기 위해 필요한 자원 할당을 요청하는 것을 목적으로 한다. 여기서 ZC 시퀀스는 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00001
여기서
Figure 112014048716207-pat00002
는 ZC 시퀀스의 길이를 의미하고,
Figure 112014048716207-pat00003
은 루트 인덱스(root index)를 의미한다. 원칙적으로 복수 개의 임의접속 프리앰블들은 ZC 시퀀스를 순환이동(Cyclic shift) 크기인
Figure 112014048716207-pat00004
의 정수 배 만큼 순환 이동시켜 생성할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00005
를
Figure 112014048716207-pat00006
배 순환 이동시킨 시퀀스는
Figure 112014048716207-pat00007
이고 이 시퀀스는
Figure 112014048716207-pat00008
번째 프리앰블이라고 부른다. 단일 루트 인덱스(ZC 시퀀스)로 생성할 수 있는 프리앰블의 수는
Figure 112014048716207-pat00009
개이고,
Figure 112014048716207-pat00010
값에 의해 생성 할 수 있는 프리앰블 수가 결정된다. 순환이동크기
Figure 112014048716207-pat00011
값은 셀 반경 크기 d에 의해 결정되며 기지국과 셀 경계에 위치한 단말기간의 최대 왕복 지연시간(maximum round-trip delay)과 최대 지연 확산 시간(maximum delay spread)의 합 이상의 값을 보상할 수 있도록 설정 되어야 한다. 이는 프리앰블의 수신 시간을 통해 어떠한 셀 범위 안의 비동기화 된 단말기와 기지국간에도 왕복지연 시간을 얻으며, 성공적으로 특정 프리앰블 검출 영역에서 프리앰블을 검출하기 위함이다. 이러한 요구사항을 반영한
Figure 112014048716207-pat00012
의 하한 값은 하기 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00013
여기서
Figure 112014048716207-pat00014
는 셀의 반경(km),
Figure 112014048716207-pat00015
는 최대 지연 확산 시간(
Figure 112014048716207-pat00016
),
Figure 112014048716207-pat00017
는 ZC 시퀀스의 길이를 의미하고,
Figure 112014048716207-pat00018
는 지속시간(
Figure 112014048716207-pat00019
)을 의미하며
Figure 112014048716207-pat00020
는 추가적인 보호 샘플을 의미한다. 거리
Figure 112014048716207-pat00021
에 의한 순환이동크기 함수를 수학식 3과 같이 수학식 2의 하한 값으로 정의할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00022
또한 단일 루트 인덱스(ZC 시퀀스)가 생성할 수 있는 프리앰블의 개수를 수학식 4와 같이 거리
Figure 112014048716207-pat00023
에 의한 함수로 정의할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00024
셀 반경
Figure 112014048716207-pat00025
가 증가할수록
Figure 112014048716207-pat00026
가 증가하고, 단일 루트 인덱스(ZC 시퀀스)가 생성할 수 있는 프리앰블 수
Figure 112014048716207-pat00027
가 감소한다.
기존의 임의접속 기술은 셀 안에서 고정된
Figure 112014048716207-pat00028
개의 프리앰블을 제공하는 것을 원칙으로 하고 3GPP LTE 시스템에서는
Figure 112014048716207-pat00029
이 64개로 설정되어있다. 이때 셀 반경
Figure 112014048716207-pat00030
에 따른 단일 루트 인덱스가 생성할 수 있는 프리앰블 개수
Figure 112014048716207-pat00031
가
Figure 112014048716207-pat00032
개 미만일 경우에 두 개 이상의 루트 인덱스(ZC 시퀀스)를 사용하여 총
Figure 112014048716207-pat00033
개의 프리앰블을 제공한다. 기존 임의접속방식에서의 고정된
Figure 112014048716207-pat00034
개의 프리앰블을 생성할 때 요구되는 루트 인덱스의 수
Figure 112014048716207-pat00035
를 수학식 5와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00036
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 공간그룹기반 임의접속의 셀 모형이 개시된다. 기지국(101)이 서비스하는 영역의 셀 반경은
Figure 112014048716207-pat00037
(102)이다. 셀 반경
Figure 112014048716207-pat00038
(102)에 의해 요구되는 루트 인덱스의 수
Figure 112014048716207-pat00039
가 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5로부터 결정될 수 있다. 기지국(101)이 서비스하는 셀 영역 안에서
Figure 112014048716207-pat00040
개(
Figure 112014048716207-pat00041
)의 루트 인덱스가 사용될 수 있다. 셀 반경
Figure 112014048716207-pat00042
(102)는 요구되는 루트 인덱스의 수
Figure 112014048716207-pat00043
와 같은 개수인
Figure 112014048716207-pat00044
개의 그룹 영역 거리로 나뉘어져
Figure 112014048716207-pat00045
의 그룹 영역 거리를 갖는 그룹을 구성할 수 있다. 첫 번째 그룹은 원형 모형의 공간그룹을 형성하며 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00046
(103)을 갖는다. 그리고 프리앰블을 생성할 때, 전체
Figure 112014048716207-pat00047
개의 루트 인덱스 중
Figure 112014048716207-pat00048
(105)의 루트 인덱스만을 사용하며 순환이동크기는 수학식 3에 셀 반경
Figure 112014048716207-pat00049
(102) 대신에 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00050
(103)을 대입하여 결정할 수 있다. 따라서, 첫 번째 그룹에서는
Figure 112014048716207-pat00051
개의 프리앰블을 생성하고 이용할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00052
나머지 그룹들은 도넛 모형의 공간그룹을 형성하고 첫 번째 그룹과 동일한 방식으로 각 그룹 영역 거리와 루트 인덱스를 가지고 프리앰블을 생성할 수 있다.
마지막
Figure 112014048716207-pat00053
번째 그룹은 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00054
(104)와 루트 인덱스
Figure 112014048716207-pat00055
(106)를 가지며
Figure 112014048716207-pat00056
개의 프리앰블을 생성하고 이용할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방법에서 노드의 그룹 식별 방법과 프리앰블 생성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일실시예에 따라 셀 반경
Figure 112014048716207-pat00057
(202)가 4km인 경우의 예가 개시될 수 있다. 기지국(201)은 4km의 셀 반경을 고려하여 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5를 통해 루트 인덱스의 수 및 총 그룹 수
Figure 112014048716207-pat00058
를 3개로 결정할 수 있다. 그리고 4km의 셀 반경은 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00059
(203),
Figure 112014048716207-pat00060
(204) 및
Figure 112014048716207-pat00061
(205)에 따라 제1 그룹, 제2 그룹 및 제3 그룹으로 나눌 수 있다. 여기서, 그룹 영역 거리는
Figure 112014048716207-pat00062
(km),
Figure 112014048716207-pat00063
(km) 그리고
Figure 112014048716207-pat00064
(km)로 가정한다. 기지국(201)은 3개의 루트 인덱스를 제1 그룹에게
Figure 112014048716207-pat00065
(207), 제2 그룹에게
Figure 112014048716207-pat00066
(208) 그리고 제3 그룹에게
Figure 112014048716207-pat00067
(209)을 각각 할당할 수 있다. 기지국은 정해진 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00068
와 그룹 루트 인덱스 정보
Figure 112014048716207-pat00069
를 셀 전체 노드에게 방송할 수 있다. 여기서 노드는 단말 장치나 통신 처리 장치 등이 될 수 있다.
일실시예에 따르면, 노드(206)는 기지국(201)과의 거리를 기지국(201)이 전송한 기준신호(Reference signal)의 세기를 통해 추정할 수 있다. 노드(206)는 거리 추정을 통해 자신이 기지국으로부터 대략 4km 지점에 위치한 것을 알 수 있다. 노드(206)는 기지국(201)이 전송한 공간 그룹 정보를 수신하여 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00070
(203, 204, 205)와 그룹 루트 인덱스 정보
Figure 112014048716207-pat00071
(207, 208, 209)를 알 수 있다. 노드(206)는 그룹 영역 거리를 통해 자신이 제3 그룹에 속해 있는 것을 인지할 수 있다(
Figure 112014048716207-pat00072
). 즉, 노드는 기지국이 전송한 기준 신호의 세기를 통해 기지국으로부터의 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리와 수신한 공간 그룹 정보를 이용하여 노드가 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다. 일실시예에 따르면, 노드의 기지국으로부터의 거리는 GPS를 이용하여 구할 수도 있다. 다른 일실시예에 따르면, 노드의 기지국으로부터의 거리는 고정된 노드(fixed node)에 미리 입력 해놓은 거리 정보를 이용하여 구할 수도 있다. 여기서 노드의 기지국으로부터의 거리를 구하는 방법은 본 명세서에 기재된 방법 외에도 다양한 방법을 이용할 수 있으며, 상기된 방법에 한정되지 않는다.
일실시예에 따르면, 특정 그룹에 속한 노드는 프리앰블 신호를 생성할 수 있다. 노드(206)는 제3 그룹에 속해있고 기지국으로부터 수신한 공간 그룹 정보를 통해 제3 그룹의 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00073
(205)와 그룹 루트인덱스
Figure 112014048716207-pat00074
(209)를 알 수 있다. 제3 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00075
를 수학식 3에 대입하여 순환이동크기
Figure 112014048716207-pat00076
를 구할 수 있다. 순환이동크기
Figure 112014048716207-pat00077
와 그룹 루트인덱스
Figure 112014048716207-pat00078
(209)를 수학식 4에 대입하여 총
Figure 112014048716207-pat00079
개의 프리앰블을 생성할 수 있다. 노드(206)는
Figure 112014048716207-pat00080
번째 프리앰블을 하기 수학식 7과 같이 생성할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00081
일실시예에 따르면, 기지국은 노드에서 전송된 프리앰블 신호를 검출할 수 있다. 일실시예에 따른 기지국의 수신단은
Figure 112014048716207-pat00082
개의 이동된 기준 ZC 시퀀스
Figure 112014048716207-pat00083
를 가지고 수신된 프리앰블을 검출할 수 있다. 이동된 기준 ZC 시퀀스에 필요한 그룹 왕복 지연시간
Figure 112014048716207-pat00084
는 하기 수학식 8을 통해 구할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00085
여기서,
Figure 112014048716207-pat00086
는 제1 그룹의 왕복 지연시간으로, 제1 그룹은 왕복 지연 시간이 존재하지 않는다.
Figure 112014048716207-pat00087
는 k번째 그룹의 기지국과 안쪽 경계 사이의 왕복 지연 시간이고,
Figure 112014048716207-pat00088
는 ZC 시퀀스의 길이를 의미하고,
Figure 112014048716207-pat00089
는 지속시간(
Figure 112014048716207-pat00090
)을 의미한다.
이동된 기준 ZC 시퀀스 는 기준 ZC 시퀀스
Figure 112014048716207-pat00091
에서 기지국과
Figure 112014048716207-pat00092
번째 그룹의 기지국과 안쪽 경계 사이의 왕복 지연 시간(Round trip delay)만큼 이동시킨 기준 시퀀스들이다. 각 공간 그룹에서는 자신의 그룹 영역 거리만을 고려하여 프리앰블을 생성하므로 기지국과 각 그룹의 안쪽 경계 사이의 왕복 지연시간을 보상할 수 있다.
일실시예에 따르면, 임의접속 방법에서 공간 그룹에 속한 노드들의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키면서 각 그룹간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 상기 공간 그룹의 그룹 영역의 거리를 설정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 셀 반경
Figure 112014048716207-pat00093
를 갖는 셀에서
Figure 112014048716207-pat00094
개의 그룹이 있을 경우, 그룹 영역 거리 벡터는
Figure 112014048716207-pat00095
이고,
Figure 112014048716207-pat00096
번째 그룹에서의 임의접속 충돌 확률은 수학식 9로 나타낼 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00097
여기서
Figure 112014048716207-pat00098
는
Figure 112014048716207-pat00099
번째 그룹에서 이용 가능한 프리앰블의 수를 나타내고,
Figure 112014048716207-pat00100
는 단일 노드의 평균 임의접속률,
Figure 112014048716207-pat00101
는 PRACH의 시간 슬롯 주기,
Figure 112014048716207-pat00102
는
Figure 112014048716207-pat00103
번째 공간 그룹에 존재하는 노드의 수,
Figure 112014048716207-pat00104
는 램버트(Lambert) W 함수를 의미하고,
Figure 112014048716207-pat00105
의 범위에서 실수 값을 갖는다. 수학식 9를 이용하여 하기 수학식 10과 같이 최적화 문제를 세울 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00106
Figure 112014048716207-pat00107
여기서
Figure 112014048716207-pat00108
는 공정함(fairness)을 나타내는 지수이고,
Figure 112014048716207-pat00109
은
Figure 112014048716207-pat00110
를 만족시키는 최소 그룹 영역 거리다.
일실시예에 따르면, 응답 메시지 안의 시간정렬(Timing Alignment) 정보를 이용해서 임의접속 응답(Random Access Response) 메시지 안의 프리앰블 식별번호의 중첩문제를 해결할 수 있다. OFDMA 기반의 셀룰러 시스템의 임의접속 응답(Random Access Response) 메시지 안에는 프리앰블 식별(Preamble identifier) 비트수가 고정되어 있다. 기존의 임의접속 기술에서는 임의접속 응답 메시지 안에서 0번부터
Figure 112014048716207-pat00111
번까지 프리앰블 식별번호를 사용하고, 식별번호의 중복 문제는 없었다. 하지만 공간 그룹 기반의 임의접속 방법에서는 임의접속 응답 메시지 안에서 그룹 식별 번호 없이 각 그룹이 0번부터
Figure 112014048716207-pat00112
번까지의 프리앰블 식별번호를 사용함으로써 공간 그룹 간에 식별번호의 중복문제가 발생한다. 예를 들면, 제1 그룹에서 전송된 0번 프리앰블과 제2 그룹에서 전송된 0번 프리앰블에 대해 기지국은 모두 0번 프리앰블 식별번호를 가진 임의접속 응답 메시지를 전송할 수 있다. 이때, 0 번 프리앰블을 전송하였던 노드는 어떤 임의접속 응답 메시지가 자신의 임의접속 응답 메시지인지 구별 할 수 없게 된다. 일실시예에 따르면, 해당 임의접속 응답 메시지 안의 시간정렬(Timing Alignment) 정보를 이용해 자신의 올바른 임의접속 응답 메시지를 찾을 수 있다. 각 노드는 특정 그룹 영역에 속해 있기 때문에 하기 수학식 11을 통해 해당하는 그룹 영역에서 가질 수 있는 시간정렬(TA) 정보 범위를 구별할 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00113
여기서
Figure 112014048716207-pat00114
는
Figure 112014048716207-pat00115
번째 그룹에 속한 노드들에 적용되는 시간정렬(TA) 정보이다. 따라서, 임의접속 응답 메시지 안에 그룹 식별을 위한 추가적인 비트 없이도 각 노드들은 자신의 임의접속 응답 메시지를 구별할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속을 수행하는 시스템에서의 임의접속 수행 방법을 도시한 흐름도이다.
단계(301)에서, 기지국은 셀을 기지국으로부터의 거리에 기초하여 공간 그룹을 형성할 수 있다. 일실시예에 따르면, 공간 그룹의 수는 기지국이 이용 가능한 루트 인덱스의 개수와 동일한 수로 결정할 수 있다. 일실시예에 따르면, 공간 그룹에 속한 노드들의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키도록 공간 그룹의 그룹 영역 거리를 결정할 수 있다. 다른 일실시예에 따르면, 각 공간 그룹 간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 공간 그룹의 그룹 영역 거리를 설정할 수 있다.
단계(302)에서, 일실시예에 따른 기지국은 노드(예를 들면, 단말 장치)에 공간 그룹 정보를 전송할 수 있다. 여기서 공간 그룹 정보는 공간 그룹의 그룹 영역 거리 및 루트 인덱스를 포함할 수 있다. 단계(302)에서, 일실시예에 따른 노드는 공간 그룹 정보를 수신할 수 있다.
단계(303)에서, 일실시예에 따른 노드는 공간 그룹 정보를 통해 자신이 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다. 일 측에 따르면, 노드는 기지국이 전송한 기준 신호를 수신하고, 기준 신호의 세기를 통해 기지국으로부터의 거리를 측정하고, 수신한 공간 그룹 정보를 이용하여 노드가 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다.
단계(304)에서, 일실시예에 따른 노드는 프리앰블 신호를 생성할 수 있다. 임의접속 프리앰블들은 ZC 시퀀스를 순환이동의 크기에 정수 배만큼 순환 이동(cyclic shift) 시켜 생성할 수 있다.
단계(305)에서, 일실시예에 따른 노드는 기지국으로 생성된 프리앰블 신호를 전송할 수 있다. 프리앰블은 일정 길이의 접속 슬롯 구간 동안 전송되며, 노드는 접속 슬롯의 처음 일정 길이 동안에 복수의 시그니처 중 하나의 시그니처를 선택하여 전송할 수 있다. 단계(305)에서, 기지국은 노드로부터 프리앰블 신호를 수신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 기지국의 수신단은 이동된 기준 ZC 시퀀스를 가지고 프리앰블 신호를 검출할 수 있다. 여기서 이동된 기준 ZC 시퀀스는 기지국과 공간 그룹의 안쪽 경계 사이의 왕복 지연 시간만큼 이동시킨 기준 시퀀스들이다.
단계(306)에서, 일실시예에 따른 기지국은 노드에 임의접속 응답 메시지를 전송할 수 있다. 일실시예에 따르면 기지국은 노드로부터 수신한 프리앰블 신호에 대한 응답으로 임의접속 응답 메시지를 전송할 수 있다. 단계(306)에서, 일실시예에 따른 노드는 임의접속 메시지를 수신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 노드는 임의접속 응답 메시지 안의 시간정렬(Timing Alignment) 정보를 이용해 자신의 올바른 임의접속 응답 메시지를 찾을 수 있다. 이때, 각 노드는 특정 그룹 영역에 속해 있으므로, 해당 그룹 영역에서 가질 수 있는 시간정렬 정보 범위를 구별할 수 있다.
단계(307)에서, 일실시예에 따른 노드는 임의접속 응답 메시지에 있는 프리앰블 식별 번호 및 시간 정렬(Timing alignment) 정보에 기초하여 상기 노드에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색할 수 있다. 여기서, 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계는 시간 정렬 정보가 공간 그룹의 시간 정렬 정보 범위에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 노드가 임의접속 응답 메시지를 수신할 때, 미리 정해진 수만큼의 프리앰블 신호에 대한 임의접속 응답 메시지를 수신하지 못한 경우, 가장 근접한 거리의 이웃 공간 그룹을 상기 노드에 대응하는 공간 그룹으로 식별하도록 할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 노드의 임의접속 수행 방법을 도시한 흐름도이다.
단계(401)에서, 일실시예에 따른 노드는 기지국으로부터 생성된, 셀의 공간 그룹 정보를 수신할 수 있다. 일 측에 따르면 셀의 공간 그룹은, 셀의 기지국으로부터의 거리를 기초로 셀을 분할하여 생성될 수 있다.
단계(402)에서, 일실시예에 따른 노드는 셀의 공간 그룹 정보를 기초로 자신이 속하는 공간 그룹을 식별할 수 있다. 일 측에 따르면, 노드는 셀의 기지국이 전송한 기준 신호 세기를 수신하고, 기준 신호 세기의 감쇄 정도에 따라 기지국과 노드 사이의 거리를 측정할 수 있다. 따라서, 노드는 기지국으로부터 수신한 공간 그룹 정보를 분석하여, 자신이 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다.
단계(403)에서, 일실시예에 따른 노드는 프리앰블 신호를 생성하여 기지국에 전송할 수 있다. 일 측에 따르면, 노드는 공간 그룹의 영역 거리를 이용하여 순환 이동(cyclic shift) 크기를 결정할 수 있다. 여기서 공간 그룹의 영역 거리는 공간 그룹의 안쪽 경계선으로부터 바깥쪽 경계선까지의 거리를 말한다. 일 측에 따르면 공간 그룹의 영역 거리는 전체 그룹의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키면서 각 그룹간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 미리 설정 될 수 있다. 일 측에 따르면 프리앰블 신호는 공간 그룹에 할당된 그룹 루트 인덱스 및 순환 이동 크기를 이용하여 생성할 수 있다.
단계(404)에서, 일실시예에 따른 노드는 프리앰블 신호에 대한 응답으로서의 임의접속 응답 메시지를 수신할 수 있다. 이때, 프리앰블 식별 비트 수가 고정되어 있어 프리앰블 식별 번호가 공간 그룹에 따라 구분하기 어려울 수 있다. 일 측에 따르면, 노드는 임의접속 응답 메시지에 있는 프리앰블 식별 번호 및 시간 정렬 정보에 기초하여 노드에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색할 수 있다. 일 측에 따르면, 시간 정렬 정보가 공간 그룹의 시간 정렬 정보 범위에 대응하는지 검사하여 자신의 임의접속 응답 메시지를 찾을 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 기지국의 임의접속 수행 방법을 도시한 흐름도이다.
단계(501)에서, 기지국은 셀 안에서 공간 그룹을 형성할 수 있다. 일 측에 따르면, 공간 그룹을 형성함으로써 셀 안에서 사용 가능한 프리앰블의 수를 증가시킬 수 있다. 이때, 공간 그룹은 기지국으로부터의 거리를 기초로 구분 지을 수 있다. 일 측에 따르면, 공간 그룹의 수는 기지국이 이용 가능한 루트 인덱스의 개수와 동일한 수로 결정할 수 있다. 다른 일 측에 따르면, 기지국은 공간 그룹에 속한 노드들의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키면서 각 그룹간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 공간 그룹의 그룹 영역의 거리를 설정할 수 있다.
단계(502)에서, 기지국은 노드에 형성된 공간 그룹에 대한 공간 그룹 정보를 전송할 수 있다. 일 측에 따르면, 공간 그룹 정보는 공간 그룹의 그룹 영역 거리 및 루트 인덱스를 포함할 수 있다.
단계(503)에서, 기지국은 노드로부터 프리앰블 신호를 수신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 기지국의 수신단은 이동된 기준 ZC 시퀀스를 가지고 프리앰블 신호를 검출할 수 있다. 여기서 이동된 기준 ZC 시퀀스는 기지국과 공간 그룹의 안쪽 경계 사이의 왕복 지연 시간만큼 이동시킨 기준 시퀀스들이다.
단계(504)에서, 일실시예에 따른 기지국은 프리앰블 신호에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 전송할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 임의접속을 수행하는 노드(600)의 구성을 도시한 도면이다. 일 측에 따른 노드는 단말 장치 또는 통신 처리 장치가 될 수 있다.
도 6을 참조하면, 임의접속을 수행하는 노드는 그룹 정보 수신부(601), 식별부(602), 프리앰블 생성부(603), 전송부(603) 및 검색부(605)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 그룹 정보 수신부(601)는 기지국으로부터 생성된, 셀의 공간 그룹 정보를 수신할 수 있다. 일 측에 따르면 셀의 공간 그룹은, 셀의 기지국으로부터의 거리를 기초로 셀을 분할하여 생성될 수 있다.
일실시예에 따르면, 식별부(602)는 셀의 공간 그룹 정보를 기초로 자신이 속하는 공간 그룹을 식별할 수 있다. 일 측에 따르면, 노드는 셀의 기지국이 전송한 기준 신호 세기를 수신하고, 기준 신호 세기의 감쇄 정도에 따라 기지국과 노드 사이의 거리를 측정할 수 있다. 따라서, 식별부(602)는 기지국으로부터 수신한 공간 그룹 정보를 분석하여, 자신이 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다.
일실시예에 따르면, 프리앰블 생성부(603)는 프리앰블 신호를 생성할 수 있다. 일 측에 따르면, 노드는 공간 그룹의 영역 거리를 이용하여 순환 이동 크기를 결정할 수 있다. 여기서 공간 그룹의 영역 거리는 공간 그룹의 안쪽 경계선으로부터 바깥쪽 경계선까지의 거리를 말한다. 일 측에 따르면 공간 그룹의 영역 거리는 전체 그룹의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키면서 각 그룹간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 기지국에서 미리 설정 될 수 있다. 일 측에 따르면 프리앰블 신호는 공간 그룹에 할당된 그룹 루트 인덱스 및 순환 이동 크기를 이용하여 생성할 수 있다.
일실시예에 따르면, 전송부(603)는 프리앰블 생성부(603)에서 생성된 프리앰블 신호를 기지국에 전송할 수 있다.
일실시예에 따르면, 검색부(605)는 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 임의접속 응답 메시지를 수신할 수 있다. 이때, 프리앰블 식별 비트 수가 고정되어 있어 프리앰플 식별 번호가 공간 그룹에 따라 구분하기 어려울 수 있다. 일 측에 따르면, 검색부(605)는 임의접속 응답 메시지에 있는 프리앰블 식별 번호 및 시간 정렬 정보에 기초하여 노드에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색할 수 있다. 일 측에 따르면, 검색부(605)는 시간 정렬 정보가 공간 그룹의 시간 정렬 정보 범위에 대응하는지 검사하여 자신의 임의접속 응답 메시지를 찾을 수 있다. 일실시예에 따르면, 상기 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 유효한 임의접속 응답 메시지를 미리 정해진 수 만큼 수신하지 못한 경우, 상기 식별부에 상기 식별된 공간 그룹 대신 가장 근접한 거리의 이웃 공간 그룹을 상기 노드에 대응하는 공간 그룹으로 식별하도록 할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 임의접속을 수행하는 기지국의 구성을 도시한 도면이다.
일실시예에 따른 임의접속 절차를 수행하는 기지국은 공간 그룹 형성부(701), 공간 그룹 정보 전송부(702), 수신부(703) 및 임의접속 응답 메시지 전송부(704)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 공간 그룹 형성부(701)는 셀 안에서 공간 그룹을 형성할 수 있다. 일 측에 따르면, 공간 그룹을 형성함으로써 셀 안에서 사용 가능한 프리앰블의 수를 증가시킬 수 있다. 이때, 공간 그룹은 기지국으로부터의 거리를 기초로 구분 지을 수 있다. 일 측에 따르면, 공간 그룹의 수는 기지국이 이용 가능한 루트 인덱스의 개수와 동일한 수로 결정할 수 있다. 다른 일 측에 따르면, 공간 그룹 형성부(701)는 공간 그룹에 속한 노드들의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키면서 각 그룹간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 공간 그룹의 그룹 영역의 거리를 설정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 공간 그룹 정보 전송부(702)는 형성된 공간 그룹에 대한 공간 그룹 정보를 기지국의 셀에 속한 노드에 전송할 수 있다. 일 측에 따르면, 공간 그룹 정보는 공간 그룹의 그룹 영역 거리 및 루트 인덱스를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 노드는 공간 그룹 정보를 이용해서 자신이 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다.
일실시예에 따르면, 수신부(601)는 노드로부터 프리앰블 신호를 수신할 수 있다.
일실시예에 따르면, 임의접속 응답 메시지 전송부(704)는 수신된 프리앰블 신호에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 전송할 수 있다.
일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방법을 이용할 경우, 셀 안에 수용 가능한 스마트 미터의 수를 기존 임의접속 방식에 비해 증가시킬 수 있다.
셀 반경이 2 km 인 경우와 4 km 인 두 가지 경우를 가정할 수 있다. 스마트 미터가 셀 전체에 고르게 분포 되어있고, 미터링 보고 주기(
Figure 112014048716207-pat00116
)는 5분으로 가정할 수 있다. 먼저, 기존 임의접속 방식에서는 전체 64개의 프리앰블 중에 인간 대 인간 통신에는 58개의 프리앰블을, 기계 노드에게는 6개의 프리앰블을 사용하도록 설정할 수 있다. 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방식은 셀 반경이 2km인 경우에
Figure 112014048716207-pat00117
,
Figure 112014048716207-pat00118
의 그룹 영역 거리를 갖도록 설정할 수 있다. 따라서,
Figure 112014048716207-pat00119
=49,
Figure 112014048716207-pat00120
=64개의 총 113개의 프리앰블을 사용할 수 있으며, 이 중 인간 대 인간 통신에게 58개의 프리앰블을, 기계 노드에 55개의 프리앰블을 사용하도록 설정할 수 있다.
일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방식은 셀 반경이 4km인 경우에
Figure 112014048716207-pat00121
의 그룹 영역 거리를 갖도록 설정할 수 있다. 따라서,
Figure 112014048716207-pat00122
개로 총 149개의 프리앰블 중 인간 대 인간 통신에게 58개의 프리앰블을, 기계 노드에 91개의 프리앰블을 사용하도록 설정할 수 있다.
도 8 및 도 9는 일실시예에 따라 공간 그룹 기반의 임의접속을 통한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 총 노드 수가 30000대 일 때 기존 기술과 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 기술에서의 충돌 확률의 차이를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 미터링 보고 주기(
Figure 112014048716207-pat00123
)가 3분인 경우, 기존의 임의접속 기술(810)에서는 약 39%의 충돌 확률을 보여주고 있으나, 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 기술에서는 기지국으로부터 반경 2Km 내의 제1 그룹의 경우(820)는 약 3%의 충돌 확률을 보여주고, 반경 2Km 내지 4Km 사이의 제2 그룹의 경우(830)는 약 2%의 충돌 확률을 보여준다. 여기서, 제2 그룹의 경우 제1 그룹의 경우보다 더 낮은 충돌 확률을 보여주는데, 이는 한 개 더 많은 루트 인덱스 사용으로 인해 33개의 프리앰블을 더 활용함에 따라 나타나는 결과이다.
도 9는 채널 환경에 따른 평균 임의접속 지연시간을 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 기술의 경우(920) 임의접속 도착률이 증가하더라도 거의 일정한 시간의 평균 임의접속 지연 시간을 보여준다. 그러나, 기존의 임의접속 기술의 경우(910) 임의접속 도착률이 증가할 수록 임의접속 지연 시간은 지수적으로 증가한다. 따라서, 기존 기술의 임의접속 지연 시간이 그래프에서 포화되는 부분은 최대 임의접속 횟수에 도달했을 때까지 임의접속을 성공하지 못함을 의미하고, 임의접속 지연 시간은 무한히 증가한다.
표 1은 미터링 보고 주기(
Figure 112014048716207-pat00124
)가 5분인 경우에 세 가지 목표 충돌 확률에서의 수용 가능한 스마트 미터의 수이다.
Figure 112014048716207-pat00125
표 1을 참조하면, 3%의 충돌확률값을 가질 때, 일실시예에 따른 공간그룹 기반의 임의접속 기술은 2Km 셀 안에서 44500대의 스마트 미터를 수용할 수 있고, 4Km 셀 안에서 78200대의 스마트 미터를 수용할 수 있다. 그러나 기존의 임의접속 기술을 통해서는 단지 4900대의 스마트 미터만을 수용할 수 있다.
따라서 일실시예에 따른 공간그룹 기반의 임의접속 기술을 통해서 더 많은 수의 스마트 미터를 더 낮은 충돌확률로 수용할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 공간 그룹 기반의 임의접속 방법에서 공간 그룹의 공유 영역을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
공간 그룹 기반의 임의 접속에서 노드는 기지국에서 받은 공간 그룹 정보와 상기 노드와 기지국 간의 거리 정보를 통해 노드가 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다. 이때, 노드가 노드와 기지국 간의 거리를 측정할 때 오차가 발생할 수 있다. 일실시예에 따르면, 거리 정보의 오차에 의해 공간 그룹을 잘못 식별한 경우, 노드는 임의접속 장애를 겪을 수 있다. 이때, 공간 그룹을 잘못 식별한 노드는 프리앰블 전송 후에 임의접속 응답 메시지를 받지 못할 수 있다. 따라서, 임의접속 응답 메시지를 계속 수신 실패하는 것을 방지하기 위해 미리 정해진 수만큼의 프리앰블 신호에 대한 임의접속 응답 메시지를 수신하지 못한 경우, 가장 근접한 거리의 이웃 공간 그룹을 상기 노드에 대응하는 공간 그룹으로 식별하도록 할 수 있다. 일실시예에 따르면, N번의 임의접속 응답 메시지를 수신하지 못한 경우, 가장 근접한 이웃 공간 그룹으로 노드가 속한 공간 그룹을 변경하도록 설정할 수 있다.
노드가 추정한 노드와 기지국 간의 거리를
Figure 112014048716207-pat00126
라고 할 때, 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014048716207-pat00127
여기서,
Figure 112014048716207-pat00128
는 실제 노드와 기지국 간의 거리이고,
Figure 112014048716207-pat00129
는 거리 추정 에러이다.
거리 추정 에러(
Figure 112014048716207-pat00130
)에 상관 없는 시스템을 위해 이웃하는 두 공간 그룹이 공유 거리(1030)만큼 중첩되는 공유 영역을 포함할 수 있다. 다시 말해, 셀의 공간 그룹은, 상기 공간 그룹 중 인접한 두 공간 그룹이 공유 거리만큼 중첩되는 공유 영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 그룹 1(1011)은 기지국부터 거리가 d1(1021)인 원형의 영역이 될 수 있다. 이때, 그룹 1(1011)은 공유영역(1031)을 포함할 수 있다. 그룹 2(1012)는 그룹 1(1011)로부터 거리가 d2(1022)인 도넛 모양의 영역이 될 수 있다. 이때, 그룹 2(1022)는 공유영역(1031) 및 공유영역(1032)를 포함할 수 있다. 그룹 3(1013)은 그룹 2(1012)로부터 거리가 d3(1023)인 도넛 모양의 영역이 될 수 있다. 이때, 그룹 3(1023)은 공유영역(1032)을 포함할 수 있다. 즉, 그룹 1(1011)과 그룹 2(1012)는 공유영역(1031)을 공유하고 그룹 2(1012)와 그룹 3(1013)은 공유영역(1032)를 공유한다. 이때 공유영역의 공유 거리(1030)는 예를 들어 100m로 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 공유영역을 포함하는 공간그룹 기반 임의접속의 셀 모형이 개시된다. 기지국(1010)이 서비스하는 영역의 셀 반경은
Figure 112014048716207-pat00131
(1020)이다. 일실시예에 따라 셀 반경
Figure 112014048716207-pat00132
(1020)가 4km인 경우의 예가 개시될 수 있다. 기지국(1010)은 4km의 셀 반경을 고려하여 총 그룹 수
Figure 112014048716207-pat00133
를 3개로 결정할 수 있다. 그리고 4km의 셀 반경은 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00134
(1020),
Figure 112014048716207-pat00135
(1022) 및
Figure 112014048716207-pat00136
(1023)에 따라 제1 그룹, 제2 그룹 및 제3 그룹으로 나눌 수 있다. 여기서, 그룹 영역 거리는 공유 거리(1030)만큼 겹치도록 설정할 수 있다. 기지국(1010)은 3개의 루트 인덱스를 제1 그룹에게
Figure 112014048716207-pat00137
(1011), 제2 그룹에게
Figure 112014048716207-pat00138
(1012) 그리고 제3 그룹에게
Figure 112014048716207-pat00139
(1013)을 각각 할당할 수 있다. 기지국은 정해진 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00140
와 그룹 루트 인덱스 정보
Figure 112014048716207-pat00141
를 셀 전체 노드에게 방송할 수 있다. 여기서 노드는 단말 장치나 통신 처리 장치 등이 될 수 있다.
일실시예에 따르면, 노드는 기지국(1010)과의 거리를 기지국이 전송한 기준신호(Reference signal)의 세기를 통해 추정할 수 있다. 노드는 기지국(1010)이 전송한 공간 그룹 정보를 수신하여 그룹 영역 거리
Figure 112014048716207-pat00142
(1021, 1022, 1023)와 그룹 루트 인덱스 정보
Figure 112014048716207-pat00143
(1011, 1012, 1013)를 알 수 있다. 노드는 그룹 영역 거리를 통해 자신이 어느 그룹에 속해 있는 것을 인지할 수 있다. 즉, 노드는 기지국이 전송한 기준 신호의 세기를 통해 기지국으로부터의 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리와 수신한 공간 그룹 정보를 이용하여 노드가 속한 공간 그룹을 식별할 수 있다. 일실시예에 따르면, 노드의 기지국으로부터의 거리는 GPS를 이용하여 구할 수도 있다. 다른 일실시예에 따르면, 노드의 기지국으로부터의 거리는 고정된 노드(fixed node)에 미리 입력 해놓은 거리 정보를 이용하여 구할 수도 있다. 여기서 노드의 기지국으로부터의 거리를 구하는 방법은 본 명세서에 기재된 방법 외에도 다양한 방법을 이용할 수 있으며, 상기된 방법에 한정되지 않는다.
공유 거리(1030)를 설정함으로써 거리 추정 에러(
Figure 112014048716207-pat00144
)로 인해 자신의 공간 그룹 식별에 실패하였다고 하더라도 공유 영역(1031, 1032) 안에 있는 노드는 문제 없이 임의접속을 수행할 수 있다.
도 11 및 도12는 일실시예에 따라 거리 추정 에러를 반영한 공간 그룹 기반의 임의접속을 통한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
노드와 기지국 사이의 거리 측정 에러는 정규분포를 따른다(
Figure 112014048716207-pat00145
). 일실시예에 따르면, 셀 거리 d는 2km, 임의접속 률
Figure 112014048716207-pat00146
은 5분, 총 노드 수는 3만개, 임의접속 응답 제한 수(N)는 3으로 가정할 수 있다. 이 때, 거리 추정 에러(
Figure 112014048716207-pat00147
)를 증가시키면서 충돌 확률과 임의접속 지연 시간의 성능을 측정할 수 있다.
도 11을 참조하면, 공유 공간 그룹을 설정하지 않은 경우에 공간 그룹 기반의 임의접속을 통한 효과를 알 수 있다. 공간 그룹 기반의 임의접속이 아닌 종래의 임의접속의 경우(1101) 거리 추정 에러에 관계 없이 임의접속 지연 시간이 일정한 것을 확인할 수 있다. 그룹 1에 속한 노드의 경우(1102) 거리 추정 오차가 클수록 임의접속 지연 시간이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 그룹 2에 속한 노드의 경우(1103)는 거리 추정 오차에 관계없이 임의접속 지연 시간이 일정한 것을 확인할 수 있다.
도 12를 참조하면, 공유 공간 그룹을 설정한 경우에 공간 그룹 기반의 임의접속을 통한 효과를 알 수 있다. 공간 그룹 기반의 임의접속이 아닌 종래의 임의접속의 경우(1201) 거리 추정 에러에 관계 없이 임의접속 지연 시간이 일정한 것을 확인할 수 있다. 그룹 1에 속한 노드의 경우(1202)와 그룹 2에 속한 노드의 경우(1203)에도 거리 추정 오차에 큰 관계없이 임의접속 지연 시간이 일정한 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 공유 공간 그룹을 설정하여 공간 그룹 기반의 임의접속 방법을 이용한 경우 거리 추정 에러가 발생하더라도 성능의 감소가 없음을 확인할 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 (19)

  1. 노드가 기지국에 임의접속 절차를 수행하는 방법에 있어서,
    상기 기지국으로부터 생성된, 셀의 공간 그룹 정보를 수신하는 단계;
    상기 셀의 공간 그룹 정보를 기초로 상기 노드에 대응하는 공간 그룹을 식별하는 단계;
    프리앰블 신호를 생성하여 상기 기지국에 전송하는 단계; 및
    상기 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 임의접속 응답 메시지를 수신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 프리앰블 신호를 생성하여 상기 기지국에 전송하는 단계는,
    상기 공간 그룹의 영역 거리를 이용하여 순환 이동(cyclic shift) 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 공간 그룹에 할당된 그룹 루트 인덱스 및 상기 순환 이동 크기를 이용하여 프리앰블을 생성하는 단계
    를 포함하는 노드의 임의접속 수행 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 공간 그룹은,
    상기 셀의 기지국으로부터의 거리를 기초로 생성된 것
    을 특징으로 하는 노드의 임의접속 수행 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀의 공간 그룹은,
    상기 공간 그룹 중 인접한 두 공간 그룹이 공유 거리만큼 중첩되는 공유 영역을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 노드의 임의접속 수행 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노드에 대응하는 공간 그룹을 식별하는 단계는,
    상기 셀의 기지국이 전송한 기준 신호를 수신하는 단계;
    상기 기준 신호 세기의 감쇄 정도에 따라 상기 기지국으로부터 상기 노드까지의 거리를 측정하는 단계; 및
    상기 기지국으로부터 수신한 상기 공간 그룹 정보에서 상기 노드에 대응하는 공간 그룹 정보를 식별하는 단계
    를 포함하는 노드의 임의접속 수행 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 임의접속 응답 메시지를 수신하는 단계는,
    상기 임의접속 응답 메시지에 있는 프리앰블 식별 번호 및 시간 정렬(Timing alignment) 정보에 기초하여 상기 노드에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계
    를 포함하는 노드의 임의접속 수행 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계는,
    상기 시간 정렬 정보가 상기 공간 그룹의 시간 정렬 정보 범위에 대응하는 상기 임의접속 응답 메시지를 검색하는 단계
    를 포함하는 노드의 임의접속 수행 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 임의접속 응답 메시지를 수신하는 단계는,
    미리 정해진 수만큼의 프리앰블 신호에 대한 임의접속 응답 메시지를 수신하지 못한 경우, 가장 근접한 거리의 이웃 공간 그룹을 상기 노드에 대응하는 공간 그룹으로 식별하도록 하는 단계
    를 포함하는 노드의 임의접속 수행 방법.
  9. 기지국이 노드와 임의접속 절차를 수행하는 방법에 있어서,
    상기 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 단계;
    상기 노드에 상기 형성된 공간 그룹 정보를 전송하는 단계;
    상기 노드로부터 프리앰블 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 프리앰블 신호에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 공간 그룹 정보는,
    상기 공간 그룹의 그룹 영역 거리 및 루트 인덱스
    를 포함하는 기지국의 임의접속 수행 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 단계는,
    상기 기지국으로부터의 거리를 기초로 공간 그룹을 형성하는 단계
    를 포함하는 기지국의 임의접속 수행 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 셀의 공간 그룹은,
    상기 공간 그룹 중 인접한 두 공간 그룹이 공유 거리만큼 중첩되는 공유 영역을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 기지국의 임의접속 수행 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 단계는,
    상기 기지국이 이용 가능한 루트 인덱스의 개수와 동일한 수로 공간 그룹의 수를 결정하는 단계; 및
    상기 공간 그룹에 속한 노드들의 임의접속 충돌 확률의 합을 최소화 시키면서 각 그룹간의 충돌 확률의 공평성을 유지하도록 상기 공간 그룹의 그룹 영역의 거리를 설정하는 단계
    를 포함하는 기지국의 임의접속 수행 방법.
  13. 삭제
  14. 기지국에 임의접속 절차를 수행하는 노드에 있어서,
    상기 기지국으로부터 형성된, 셀의 공간 그룹 정보를 수신하는 그룹 정보 수신부;
    상기 노드에 대응하는 공간 그룹을 식별하는 식별부;
    프리앰블 신호를 생성하는 프리앰블 생성부;
    상기 생성된 프리앰블을 상기 기지국에 전송하는 전송부; 및
    상기 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 유효한 임의접속 응답 메시지를 검색하는 검색부
    를 포함하고,
    상기 프리앰블 생성부는,
    상기 공간 그룹의 영역 거리를 이용하여 순환 이동 크기를 결정하고, 상기 공간 그룹에 할당된 그룹 루트 인덱스 및 상기 순환 이동 크기를 이용하여 프리앰블을 생성하는 임의접속 수행 노드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 식별부는,
    상기 셀의 기지국이 전송한 기준 신호 세기를 수신하고, 상기 기준 신호 세기의 감쇄 정도에 따라 상기 기지국으로부터 상기 노드까지의 거리를 측정하여, 상기 기지국으로부터 수신한 상기 공간 그룹 정보에서 상기 노드에 대응하는 공간 그룹 정보를 식별하는
    임의접속 수행 노드.
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    상기 검색부는,
    상기 프리앰블 신호에 대한 응답으로서 유효한 임의접속 응답 메시지를 미리 정해진 수 만큼 수신하지 못한 경우, 상기 식별부에 상기 식별된 공간 그룹 대신 가장 근접한 거리의 이웃 공간 그룹을 상기 노드에 대응하는 공간 그룹으로 식별하도록 하는 것
    을 특징으로 하는 임의접속 수행 노드.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 검색부는,
    상기 임의접속 응답 메시지에 있는 프리앰블 식별 번호 및 시간 정렬(Timing alignment) 정보를 이용하여 상기 노드에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 검색하는
    임의접속 수행 노드.
  19. 노드와 임의접속 절차를 수행하는 기지국에 있어서,
    상기 기지국의 셀 안에서 공간 그룹을 형성하는 공간 그룹 형성부;
    상기 노드에 상기 형성된 공간 그룹 정보를 전송하는 공간 그룹 정보 전송부;
    상기 노드로부터 프리앰블 신호를 수신하는 수신부; 및
    상기 프리앰블 신호에 대응하는 임의접속 응답 메시지를 전송하는 임의접속 응답 메시지 전송부
    를 포함하고,
    상기 공간 그룹 정보는,
    상기 공간 그룹의 그룹 영역 거리 및 루트 인덱스
    를 포함하는 임의접속을 수행하는 기지국.
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