KR20100081901A - 랜덤선형부호화를 사용한 데이터 송수신 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의하면, 랜덤 선형 부호화를 이용한 통신방법이 개시된다. 본 발명에 의한 송신단의 데이터 전송 방법은, 상위계층 데이터를 소정 크기로 분할하여 생성된 복수의 데이터 블록들을 포함하는 데이터 블록집합에 랜덤선형부호화(RLC)를 적용하여 복수의 부호화된 블록들을 생성하는 단계와 상기 복수의 부호화된 블록들을 상기 수신단에 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 부호화된 블록들을 생성하는 단계는 각 행(row)이 기 설정된 갈루아 필드(Galois field) 내에서 독립(independent)한 특성을 갖는 계수행렬(Coefficient matrix)을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
랜덤선형부호화, 계수행렬, PDU, 갈루아 필드
Description
본 발명은 무선접속 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세히는 랜덤 선형 부호화를 이용한 통신방법에 관한 것이다.
인터넷을 기반으로 하는 통신시스템은 일반적으로 5 계층으로 이루어진 프로토콜 스택(Protocol Stack)으로 구성되며, 각 프로토콜 계층의 구성은 도 1과 같다.
도 1은 일반적으로 사용되는 인터넷 프로토콜 스택의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 프로토콜 스택의 최상위 계층은 응용계층으로 FTP/HTTP/SMTP/RTP 등의 네트워크 애플리케이션을 지원하기 위한 계층이다. 다음으로, TCP/UDP 프로토콜을 사용하여 호스트 간의 데이터 전송 기능을 담당하는 전송계층과 IP 프로토콜을 통한 소스(Source)에서 목적지(Destination)로의 데이터 전송 경로 설정을 수행하는 네트워크 계층이 있다. 또한, 프로토콜 스택은 PPP/이더넷 프로토콜 등을 통해 주변 네트워크 개체간의 데이터 전송 및 매체접속제어(MAC: Media Access Control)를 담당하는 링크계층과 유선 또는 무선 매체를 이용한 데이터의 비트 단위의 전송을 수행하는 최하위 계층인 물리계층으로 구성된다.
도 2는 일반적으로 사용되는 데이터 전송을 위한 각 계층의 동작을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 송신단의 전송계층에서는 상위계층인 응용계층으로부터 수신한 메시지 페이로드(Payload)에 헤더 정보를 추가하여 새로운 데이터 유닛을 생성한다. 전송계층은 이를 다시 하위계층인 네트워크 계층으로 전송한다. 네트워크 계층에서는 전송계층으로부터 수신한 데이터에 네트워크 계층에서 사용되는 헤더 정보를 추가하여 새로운 데이터 유닛을 생성하고, 이를 다시 하위계층인 링크계층으로 전송한다. 링크계층에서는 상위계층으로부터 수신한 데이터에 링크계층에서 사용하는 헤더 정보를 추가하여 새로운 데이터 유닛을 생성하고, 이를 다시 하위계층인 물리계층으로 전송한다. 물리계층은 링크계층으로부터 수신한 데이터 유닛을 수신단으로 전송한다.
수신단의 물리계층은 송신단으로부터 데이터 유닛을 수신하여 자신의 상위 계층인 링크계층으로 데이터 유닛을 송신한다. 수신단에서는 각 계층별로 추가된 헤더를 처리하고, 헤더를 제거한 메시지 페이로드를 상위계층으로 전송한다. 이와 같은 과정을 통해 전송측과 수신단간의 데이터 송수신이 수행된다.
도 2와 같이 송신단과 수신단간에 데이터 송수신을 위해 각 계층에서는 프로토콜 헤더를 추가하여 데이터 어드레싱(data addressing), 라우팅(routing), 포워딩(forwarding) 및 데이터 재전송 등의 제어 기능을 수행한다.
도 3은 일반적으로 사용되는 IEEE 802.16 시스템 기반의 무선 이동통신 시스템에서 정의하는 프로토콜 계층 모델을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 링크 계층에 속하는 MAC 계층은 3개의 부계층으로 구성될 수 있다. 서비스 지정 수렴 부계층(Service-Specific CS: Service-Specific Convergence Sublayer)은 CS SAP(Service Access Point)를 통하혀 수신된 외부 네트워크의 데이터를 MAC 부계층(CPS: Common Part Sublayer)의 MAC SDU(Service Data Unit)들로 변형시키거나 맵핑시킬 수 있다. 이 계층에서는 외부 네트워크의 SDU들을 구분한 후, 해당되는 MAC 서비스 플로우 식별자(SFID: Service Flow IDentifier)와 CID(Connection IDentifier)를 연관시키는 기능이 포함될 수 있다.
다음으로 MAC CPS는 시스템 액세스, 대역폭 할당, 연결(connection) 설정 및 관리와 같은 MAC의 핵심적인 기능을 제공하는 계층으로, MAC SAP를 통해 다양한 CS들로부터 특정 MAC 연결에 의해서 분류된 데이터를 수신한다. 이때 물리 계층을 통한 데이터 전송과 스케쥴링에 QoS(Quality of Service)가 적용될 수 있다.
또한, 암호화 부계층(Security Sublayer)는 인증(Authentication), 보안키 교환(security key exchange)과 암호화 기능을 제공할 수 있다.
상술된 계층 구조에서, 보다 신뢰성있게 송신단이 수신단에 데이터를 전송하기 위해 다양한 방법들이 사용될 수 있다.
그러한 방법의 일례로 MAC CPS에 MAC SDU가 전달되면, 전달된 MAC SDU는 MAC 계층에서 지원하는 최대 전송 크기를 넘지 않는 범위 내에서 MAC PDU들로 나누어질 수 있는데, 이러한 MAC PDU들은 랜덤선형부호(Random Linear Code)를 이용하여 부 호화될 수 있다. 이러한 방법을 랜덤선형부호화(RLC: Random Linear Coding)라 한다.
랜덤선형부호화 방법의 특징은, 각각의 부호화된 블록(coded block)들이 원본 블록집합(original block set)에 포함된 모든 블록들에 대한 정보를 포함할 수 있다는 것이다. 따라서, 일부 부호화된 블록이 송수신 도중에 유실되더라도 해당 부호화된 블록을 다시 수신할 필요없이, 다른 부호화된 블록을 수신하여 신속하게 데이터를 복원할 수 있다.
일반적인 랜덤선형부호화(Random Linear Coding)에는 계수행렬(Coefficient matrix)이 사용될 수 있는데, 계수행렬은 난수(Random number)를 사용하기 때문에 수신단에서 항상 디코딩이 가능한 계수행렬의 생성이 보장되지 못하였다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 랜덤선형부호화(RLC)를 이용한 효율적인 통신방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수신단에서 일정량의 패킷을 오류 없이 수신한 경우 항상 디코딩이 가능한 계수 행렬을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 송신단 및 수신단이 랜덤선형부호화를 이용하여 데이터를 송신하고 수신하는 다양한 방법들을 제공한다.
본 발명의 일 양태로서 송신단이 수신단에 데이터를 전송하는 방법은, 상위계층 데이터를 소정 크기로 분할하여 생성된 복수의 데이터 블록들을 포함하는 데이터 블록집합에 랜덤선형부호화(RLC)를 적용하여 복수의 부호화된 블록들을 생성 하는 단계와 상기 복수의 부호화된 블록들을 상기 수신단에 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 부호화된 블록들을 생성하는 단계는 각 행(row)이 기 설정된 갈루아 필드(Galois field) 내에서 독립(independent)한 특성을 갖는 계수행렬(Coefficient matrix)을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
이때, 상기 계수행렬은 하기 행렬 1과 같은 형태를 가질 수 있다.
[행렬 1]
여기에서, 는 상기 계수행렬을 나타내고, 제 1열을 구성하는 각 원소(v i )는 상기 기 설정된 갈루아 필드에서 '1'을 제외하고 선택된 서로 다른 k개의 원소이며, 이고, 이며, m은 갈루아 필드의 크기를 결정하는 차수를 나타내는 것일 수 있다.
또한, 상기 계수행렬의 상기 제 1열을 구성하는 각 원소(v i )를 상기 송신단 및 상기 수신단이 공유하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 원소를 공유하는 단계는 상기 송신단 및 수신단의 초기 망 진 입(initial network entry)절차를 통하여 수행되는 것일 수 있다.
또한, 상기 복수의 부호화된 블록들은 MAC 헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 수신단에 전송되고, 상기 MAC 헤더는 상기 부호화된 블록의 랜덤선형부호화 여부를 지시하는 필드 및 상기 부호화된 블록의 번호를 지시하는 필드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 복수의 부호화된 블록들은 소정의 서브헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 수신단에 전송되고, 상기 소정의 서브헤더는 상기 부호화된 블록의 랜덤선형부호화 여부를 지시하는 필드 및 상기 부호화된 블록의 번호를 지시하는 필드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태로서, 수신단에서 데이터를 수신하는 방법은 복수의 부호화된 블록들을을 상기 송신단으로부터 수신하는 단계와 제 1 계수행렬(Coefficient matrix)을 이용하여 상기 수신된 복수의 부호화된 블록들을 디코딩하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 1 계수행렬은 상기 송신단에서 소정 개수의 원본 데이터 블록에 랜덤선형부호화(RLC)를 적용하여 상기 복수의 부호화된 블록들을 생성하는 과정에서 사용된 계수행렬이며, 각 행이 기 설정된 갈루아 필드(Galois field) 내에서 독립한 특성을 갖는 것일 수 있다.
이때, 상기 수신된 복수의 부호화된 블록들을 디코딩하는 단계는, 상기 계수행렬에서 상기 복수의 부호화된 블록들 중 오류없이 수신된 소정 개수의 부호화된 블록들의 번호 각각에 대응되는 소정 개수의 행(row)들을 선택하여 제 2 계수행렬을 생성하는 단계와, 상기 제 2 계수행렬의 역행렬을 생성하는 단계와 상기 생성된 역행렬 및 상기 오류없이 수신된 소정 개수의 부호화된 블록들을 이용하여 상기 소정 개수의 원본 블록들을 복원하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소정 개수의 부호화된 블록들 각각의 번호는 상기 기 설정된 갈루아 필드에 의하여 결정된 상기 부호화된 블록의 크기를 이용하여 추정된 것일 수 있다.
또한, 상기 복수의 부호화된 블록들은 MAC 헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 상기 송신단으로부터 수신되고, 상기 MAC 헤더는 상기 프로토콜 데이터 유닛에 포함된 상기 복수의 부호화된 블록들의 랜덤선형부호화 여부를 지시하는 필드를 포함하고, 상기 수신단은 상기 소정 개수의 부호화된 블록들 각각의 번호를 추정함에 있어서 상기 랜덤선형부호화 여부를 더욱 고려할 수 있다.
또한, 상기 복수의 부호화된 블록들은 MAC 헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 상기 송신단으로부터 수신되고, 상기 MAC 헤더는 상기 부호화된 블록의 번호를 나타내는 필드를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 제 2 계수행렬을 생성하는 단계는, 상기 공유된 상기 계수행렬의 제 1열을 구성하는 상기 각 원소(v i ) 중에서 오류없이 수신된 오류없이 수신된 소정 개수의 부호화된 블록들의 번호 각각에 대응되는 원소들의 차수를 상기 제 1 계수행렬의 형태를 만족하도록 순차적으로 증가시켜 상기 소정 개수의 행(row)들을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명을 이용하면 랜덤선형부호화를 이용하여 효율적인 통신을 수행할 수 있다.
둘째, 본 발명에 의하면 수신단에서 일정량의 패킷을 오류 없이 수신한 경우 항상 디코딩이 가능한 계수 행렬이 제공되므로 효율적인 통신을 수행할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 무선접속 시스템에 관한 것으로서, 랜덤 선형 부호화를 이용한 통신방법이 개시된다.
이하의 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성할 수도 있다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.
본 명세서에서 본 발명의 실시예들은 기지국과 단말 간의 데이터 송수신 관 계를 중심으로 설명되었다. 여기서, 기지국은 단말과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미를 갖는다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다.
즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 단말과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있음은 자명하다. '기지국'은 고정국(fixed station), Node B, eNode B(eNB), 억세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다. 또한, '단말'은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), MSS(Mobile Subscriber Station) 등의 용어로 대체될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법 은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
도 4는 서비스 데이터 유닛(SDU)을 이용하여 MAC PDU를 구성하는 방법을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 상위계층으로부터 전달받은 서비스 데이터 유닛(SDU: Service Data Unit)을 이용하여 MAC PDU가 구성될 수 있다. 이때, 단편화(fragmentation) 또는 패킹(packing) 기법이 사용될 수 있다. 단편화 기법은 SDU 또는 프로토콜의 기본 교환 단위인 PDU를 여러 개의 더 작은 단위로 나누는 동작을 말한다. 패킹 기법은 몇 개의 작은 필드를 하나의 큰 필드로 결합하는 것으로서, 기억 장소를 절약하기 위해서 2개 이상의 정보 단위를 하나의 물리적 단위로 결합하는 것을 의미한다.
도 5는 IEEE 802.16 시스템 기반의 무선 MAN 이동통신 시스템에서 정의하는 MAC PDU(MAC Protocol Data Unit) 형태의 일례를 나타내는 도면이다.
일반적으로 제 2 계층 이하의 링크 계층(즉 Link layer 또는 MAC layer)과 물리 계층(Physical layer)에서는 LAN, Wireless LAN, 3GPP/3GPP2 또는 Wireless MAN 등의 각 시스템에 따른 프로토콜과 그에 따른 MAC PDU의 헤더 포맷이 다르게 정의된다. MAC 헤더는 링크 계층에서의 각 노드들 간의 데이터 전달 위해 노드의 MAC 주소 또는 링크 주소를 포함하며, 헤더 오류 검사(header error check) 및 링크 계층 제어 정보를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 각각의 MAC PDU는 일정한 길이의 MAC 헤더로 시작된다. 헤더는 MAC PDU의 페이로드(payload) 앞에 위치한다. MAC PDU의 페이로드는 서브헤더, MAC SDU 및 단편(Fragment)으로 구성될 수 있다. 가변적인 바이트 수량을 표현할 수 있도록 페이로드 정보의 길이는 변경될 수도 있다. 이에 따라, MAC 부계층은 메시지의 포맷이나 비트 패턴을 인식하지 않고도 상위계층의 다양한 트래픽 타입을 전송할 수 있다. 유보된(reserved) 모든 필드는 전송시 '0'으로 설정되며, 수신시 무시된다.
MAC PDU에는 오류 검출을 위한 CRC(Cyclic Redundancy Check)가 포함될 수 있다. OFDMA 시스템의 물리 계층에서 CRC 기능이 구현될 수 있다. MAC PDU에서 유보된 모든 필드는 '0'으로 지정되며, 수신시 무시된다.
도 6은 IEEE 802.16 시스템을 기반으로 하는 무선 MAN 이동통신 시스템에서 사용되는 MAC 헤더 형태의 일례를 나타낸다.
도 6을 참조하면, MAC PDU에는 일반 MAC 헤더와 함께 6개의 서브헤더가 사용될 수 있다. MAC PDU 별 서브헤더는 일반 MAC 헤더 뒤에 삽입된다. MAC 헤더에 포함되는 각 필드에 대한 설명은 이하 상술한다.
HT(Header Type) 필드는 헤더 타입을 나타내는 것으로서, 해당 MAC PDU가 헤 더 뒤에 페이로드를 포함하는 일반 MAC 헤더인지 또는 대역 요청 등의 제어를 위한 시그널링 헤더(signalling header)인지를 나타낸다. EC(Encryption Control) 필드는 암호화 제어를 나타내는 것으로서, 페이로드가 암호화 되었는지 여부를 나타낸다. Type 필드는 헤더 다음에 붙는 서브헤더의 유무 및 서브헤더의 타입을 나타낸다. ESF(Extended Subheader Field) 필드는 헤더 다음에 붙는 확장 서브헤더의 유무를 나타낸다.
또한, CI(CRC Indication) 필드는 CRC가 페이로드 뒤에 붙는지 여부를 나타낸다. EKS(Encryption Key Sequence) 필드는 페이로드가 암호화되는 경우, 암호화를 위해 사용되는 암호화 키 시퀀스 번호를 나타낸다. LEN(LENgth) 필드는 MAC PDU의 길이를 나타낸다. CID(Connection Identifier) 필드는 MAC PDU가 전달되는 연결 식별자를 나타낸다. 접속(Connection)은 기지국과 단말 간에 데이터 및 메시지 전달을 위한 MAC 계층의 식별자로 사용되며, CID는 특정 단말을 식별하거나 기지국과 단말 간의 특정 서비스를 식별하는 기능을 수행한다. HCS(Header Check Sequence)는 헤더의 에러를 검출하는데 사용된다. 도 6에서 각 필드의 이름 뒤의 괄호 안의 숫자는 각 필드가 차지하는 비트 수를 나타낸다.
본 발명의 실시예들에서는 랜덤 선형 부호화(RLC: Random Linear Coding) 방법을 사용하여 데이터를 부호화할 수 있다. 랜덤 선형 부호화 방법은 블록 부호화 방법의 하나이다.
랜덤 선형 부호화 방법의 특징은, 각각의 부호화된 블록(coded block)들이 원본 블록집합(Original block set)에 포함된 모든 블록들에 대한 정보를 포함할 수 있다는 것이다. 따라서, 일부 부호화된 블록이 송수신 도중에 유실되더라도 해당 부호화된 블록을 다시 수신할 필요없이, 다른 부호화된 블록을 수신하여 신속하게 데이터를 복원할 수 있다. 랜덤 선형 부호화 방법은 본 발명에서 예시하는 데이터 처리 방법을 정의한 용어에 불과하며, 상기 방법을 나타내는 용어는 다양하게 변형될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 적용할 수 있는 랜덤 선형 부호화 방법을 사용하여 데이터 블록 집합들을 부호화하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 원본 데이터(original data)는 송신단의 상위계층으로부터 전달된 데이터(SDU: Service Data Unit)를 나타낸다. 송신단은 원본 데이터(SDU)를 MAC 계층에서 지원하는 최대 전송 크기를 넘지 않는 범위 내에서 PDU로 분할할 수 있다. 이하, 이러한 PDU를 본 명세서에서는 원본 패킷(Original Packet) 또는 원본 블록(Original Block)이라 칭한다. 송신단은 분할된 원본 블록들을 임의의 개수(n)로 묶어서 블록집합(또는, 세그먼트(segment))을 구성할 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 이와 같이 원본 블록들을 임의의 개수로 묶어서 생성한 블록집합을 "원본 블록집합(Original Block set)" 또는 "원본 패킷집합(Original Packet set)"이라 호칭한다.
이때, 블록집합의 개수(n)는 통신망의 채널환경, 송신단과 수신단의 성능정보 및 응용 프로그램의 요구사항 등에 의해 결정될 수 있다. 또한, 송신단은 총 k개의 원본 블록집합을 구성할 수 있다.
송신단은 분할된 상기 데이터 블록들을 부호화(coding)하기 위한 랜덤계수 또는 랜덤계수행렬(random coefficient matrix, cji)을 생성한다. 송신단은 상기 분할된 데이터 블록들에 일정한 규칙에 따라 생성된 상기 랜덤 계수행렬(cji)을 이용하여 부호화할 수 있다.
송신단은 블록집합 단위로(예를 들어, 선택된 n개의 블록마다) 랜덤 선형 부호화 방법을 사용하여 부호화를 수행할 수 있다. 이때, n개의 부호화된 블록들의 집합을 "부호화된 블록집합(Encoded block set)" 또는 "부호화된 패킷집합(Encoded packet set)"이라 부를 수 있다. 수신단은 선택된 개수(n) 만큼의 부호화된 블록들을 수신하면 복호화를 수행할 수 있다. 이하, "부호화된 블록집합"은 "코드블록집합"으로, "부호화된 블록"은 "코드블록"으로 호칭될 수 있다.
랜덤 선형 부호화 방법을 적용하여 생성된 각각의 코드블록들은 원본 블록집합에 포함된 모든 블록들에 대한 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 수신단에서 수신한 코드블록들로부터 일련의 정보 블록을 복원하기 위해, n개의 코드블록들 및 데이터 각 블록을 부호화할 때 사용한 랜덤계수들이 필요하다.
송신단은 수신단이 데이터를 완전히 복호화할 때까지 새로운 랜덤계수들을 생성하고, 코드블록들을 만들어 수신단으로 전송한다. 이때, n개의 코드블록들은 부호화된 순서대로 전달될 필요가 없으며, 각각의 코드블록들은 독립적(independent)이다.
랜덤 선형 부호화 방법에서 사용되는 계수행렬()은 송신단 또는 송신단과 수신단이 일정 범위에서 결정한 난수(random number)를 이용하여 생성될 수 있다. 난수란, 송신단이 또는 송신단과 수신단이 협의를 통해 일정 범위(예를 들어, 0~255)의 수를 정하고, 상기 일정 범위의 수에서 무작위로 추출한 수를 말한다. 또한, 송신단 및 수신단은 랜덤계수를 생성하는데 필요한 시드(seed) 값을 공유하여 계수행렬()을 생성할 수도 있다. 이때, 계수행렬의 사이즈는 n×n으로 정의될 수 있다.
다음 수학식 2는 상기 수학식 1을 다른 표현 방법으로 나타낸 것이다.
수학식 2에서 코드블록은 coded-blkj로 나타낼 수 있고, 계수행렬은 cji로 나타낼 수 있다. 또한, 원본 블록은 blki로 나타낼 수 있다.
송신단에서 첫 번째 코드블록집합의 n개의 코드블록들을 모두 전송하고, 수신단에서 n개의 코드블록들을 모두 수신하면 원본 블록집합을 복원할 수 있다. 이후, 송신단은 다음 두 번째 블록집합에 포함된 코드블록들을 전송하는 방법으로 데이터 통신이 이뤄진다.
랜덤 선형 부호화(이하, RLC)를 이용한 통신 방법을 이용하기 위해, 먼저 데이터 블록집합(Data Block Set)의 크기, 코드블록(coded block)의 크기 및 랜덤계수(Random coefficient)의 갈루아 필드(GF: Galois Field)를 정한다. 갈루아 필드(GF)는 다음과 같이 정할 수 있다. GF(2^2)이면 2 비트의 심볼(Symbol)들을 연산하여 2 비트의 심볼로 만들어 줄 수 있고, GF(2^8)을 사용하면 8 비트의 심볼들을 연산하여 8 비트의 심볼들로 만들어 줄 수 있다.
데이터 블록집합의 크기와 코드블록의 크기가 결정이 되면 복호화(decoding)에 필요한 부호화된 블록의 개수가 결정될 수 있다. 송신단은 기 결정된 갈루아 필드에 따라 부호화(coding)에 필요한 랜덤계수(Random Coefficient)들을 이용하여 부호화를 수행할 수 있다. 랜덤계수들은 부호화된 블록들을 전송할 때 함께 전송될 수도 있다. 또한, 송수신단이 랜덤계수들을 미리 생성하여 송수신단 서로가 동일한 랜덤계수들에 대한 정보를 가지고 있다면, 송신단은 각 코드블록을 부호화할 때 사용한 랜덤계수의 인덱스(index)만을 수신단에 전송해 줄 수도 있다. 통신 도중에 전송되는 신호가 없어지지 않는 순차적인 데이터 전송의 경우에는 송수신단은 미리 정해진 랜덤 계수들을 순차적으로 사용하여 부호화 및 복호화할 수 있다.
다시 말하면, 수신단은 송신단에서 원본 블록집합()을 부호화하는데 사용한 계수행렬()의 역행렬()을 생성한 다음, 생성된 역행렬 및 수신된 코드블록 집합()을 이용한 연산을 통하여 원본 블록집합()을 복원할 수 있는 것이다. 이를 식으로 나타내면 아래 수학식 3과 같다.
수신단에서의 디코딩을 보장하는 계수행렬
이하, 본 발명에서 제안하는 계수행렬로서, 수신단에서 소정 개수 이상의 충분한 패킷을 오류 없이 수신한 경우 항상 디코딩이 가능한 계수 행렬을 설명한다.
먼저, 본 실시예들에서 랜덤 선형 부호화 연산에 사용되는 갈루아 필드 혹은 유한체(finite field)는 GF(2^8)이라 가정한다. 이는 GF(2^8)에서는 숫자를 1~255까지 표현 가능하므로 바이트 연산이 용이할 수 있기 때문이다. 다만, 동일한 방법을 사용하여 다른 유한체로의 확장 또한 가능함은 물론이다.
랜덤 선형 부호화(Random Linear Coding)에서 부호화(coding) 및 복호(decoding)에 사용되는 계수 행렬(Coefficient matrix)는 n개의 입력 블록(i.e. 원본 블록)을 이용하여 k개(k≥n)의 출력 블록(i.e 부호화된 블록)을 만들어 낼 때, k×n 크기의 행렬이 필요하다. 즉, 수학식 1의 연산에서 각 행렬은 아래 수학 식 4와 같은 형태를 갖게 된다.
수신단이 디코딩을 수행할 시에는, 행렬의 행(row)들 중에서 오류없이 수신한 e i 값들에 해당하는 행들만을 뽑아서 디코딩을 수행한다. 예를 들어, e 2 가 오류없이 수신된 경우, 두 번째 행([h 2,1 h 2,2 ... h 2,n ])이 s 2 를 복원하기 위하여 선택되게 된다. 이러한 방법을 통하여 수신단은 선택된 행들 중에서 n개를 사용하여 n×n 크기의 행렬을 생성한 다음, 생성된 행렬의 역행렬(inversion)을 취하여 n 개의 원본 블럭에 대한 디코딩을 수행할 수 있다. 물론, 이러한 디코딩 과정은 오류없이 수신한 e i 값들에 해당하는 행들을 먼저 생성한 후에 n 개를 선택할 수도 있지만, n개의 오류없는 e i 들을 먼저 선택한 후 해당 n개의 행을 생성하는 순서로 수행될 수도 있다.
상술한 디코딩 방법이 항상 가능하기 위해서는 상기 수학식 4의 행렬 중에서 어떠한 n개의 행을 선택하여 n×n 크기의 행렬을 생성하더라도 항상 역행렬을 취할 수 있어야 한다. 행렬이 이러한 조건을 만족하기 위해서는 행렬의 각 행이 갈루아 필드 또는 유한체 내에서 독립(independent)일 조건을 만족해야 한다.
수학식 5와 같은 행렬 에서 제 1 행을 구성하는 v i 가 기 설정된 갈루아 필드에서 '1'을 제외하고 선택된 서로 다른 k개의 원소인 조건을 만족하면, 이러한 행렬은 인 어떠한 벡터에 대하여도 상술한 디코딩을 가능하게 한다. 즉, 수학식 5의 행렬은 n개의 행을 임의로 선택하여 n×n 크 기의 행렬을 생성하더라도 항상 역행렬을 취할 수 있다. 다만, 수학식 5 의 행렬은이고, 인 조건 또한 만족하는 것이 바람직하다. 이는 n이 보다 크면, 즉, 이면 다시 1이 되고 이면 첫번째 행과 동일한 수가 되기 때문이다.
상기 수학식 5와 같은 계수행렬을 이용한 수신단의 디코딩 과정을 도 8을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 송신단 및 수신단에서 랜덤선형부호화를 이용한 데이터 전송 및 수신과정의 일례를 나타낸다.
이때, 전술된 바와 같이 하나의 블록을 하나의 PDU로 가정한다면, k 개의 PDU가 송신단으로부터 수신단으로 전송된다고 볼 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 하나의 PDU에 복수의 부호화된 블록 또는 패킷이 포함되어 수신단에 전송될 수도 있다.
수신단은 수신된 부호화된 블록집합() 중에서 오류없이 수신된 n개의 부호화된 블록들을 선택한다. 이때, 오류없이 수신된 n개의 부호화된 블록들의 집합을 편의상 이라 표기한다(S105).
수신단은 n개의 부호화된 블록 각각의 번호에 대응되는 n개의 행(row)들을 상기 수학식 5와 같은 계수행렬()에서 선택하여 n×n 크기의 디코딩을 위한 계수행렬()을 생성한다(S106).
수신단은 디코딩을 위한 계수행렬()의 역행렬()을 생성한다. 이는, 전술된 바와 같이 상기 수학식 5와 같은 계수행렬()로부터 생성되는 디코딩을 위한 계수행렬이 갈루아 필드에서 독립(independent)한 성격을 이용한 것이다(S107).
따라서, 본 발명에 의하면 k개의 부호화된 패킷 중 n개 이상의 부호화된 패킷만 수신단에서 오류없이 수신되면, 전체 원본 패킷의 복원이 가능하여 효율적인 통신이 가능하다. 또한 본 발명에서 제공되는 계수행렬로 부터 생성되는 디코딩을 위한 계수행렬은 갈루아 필드에서 독립(indepedent)한 특성을 가지므로 언제나 역행렬을 취할 수 있으므로 오류없이 수신된 일부의 패킷으로 전체 수신된 데이터의 디코딩이 보장된다.
송신단과 수신단의 계수행렬 공유방법
이하, 상기와 같은 조건을 만족하는 행렬이 수신단에서 원본 블록집합의 인코딩에 사용되는 경우, 수신단이 부호화된 블록집합을 디코딩할 수 있도록 송신단과 수신단이 행렬을 공유하는 방법을 설명한다.
먼저, 본 발명에서 제안된 수학식 5와 같은 형태의 행렬에서 제 1열의 원소들인 v1 내지 vk 사이의 값들은 송신단이 수신단에 데이터 패킷(e.g. 원본 블록집합 또는 부호화된 블록집합)을 전송하기 전에 미리 양측에 공유되어 있는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 송신단을 기지국이라 가정하고 수신단을 이동 단말이라 가정할 때, v1 내지 vk 사이의 값들은 초기 망 진입(initial network entry)절차 또는 기지국에서 브로드캐스트되는 시스템 정보를 포함하는, 다양한 유니캐스트 또는 브로드캐스트 방법을 통하여 단말에 전달될 수 있다.
또는, v1 내지 vk 사이의 값들이 일정한 규칙, 예를 들면 소정의 수열 또는 수학식을 따라 생성되는 경우를 가정한다. 이때, 송수신단에 v1 내지 vk 사이의 값들을 생성하기 위한 소정의 수열 또는 수학식은 서로간에 미리 약속되어있는 것이 바람직하다. 따라서, 송신단이 수신단에 v1 내지 vk 사이의 값들 중 어느 하나(e.i. 시드값)를 알려주면, 수신단은 획득한 하나의 값으로 v1 내지 vk 전부를 생성하여 계수행렬의 제 1열을 완성할 수 있다.
상술된 방법들을 통하여 수신단은 송신단에서 원본 블록집합의 인코딩에 사용된 계수행렬의 1열을 구성할 수 있다. 계수행렬의 1열이 구성됨에 따라, 계수행렬의 나머지 부분은, 각각의 1열 원소들을 1 부터 n까지 차수를 높여가며 해당 열을 채워나감에 따라 완성될 수 있다.
그런데, 부호화된 블록 ei에서 원본 블록 sj를 복원하기 위해서는, 수신단이 i값, 즉, 부호화된 블록의 번호를 알아야 한다. 이는 수신단이 i값을 알아야 송신단이 인코딩에 사용한 vi값을 알 수 있기 때문이다. 이를 위하여, 수신단이 i 값을 알아낼 수 있는 방법은 다음과 같다.
첫째로, 송신단이 수신단에 직접 i값을 알려주는 방법이 사용될 수 있다. 이를 위하여, 송신단은 sj를 인코딩하여 ei를 생성하는 과정에서 ei의 헤더(e.g. 일반 MAC 헤더: Generic MAC Header) 또는 서브헤더에 i 값을 포함시킬 수 있다. i 값은 '재전송 패킷 번호(retransmission packet number) i' 필드의 형태로 헤더 또는 서브헤더에 포함될 수 있다.
둘째로, 송신단으로부터의 직접적인 정보 없이 수신단이 i값을 계산할 수도 있다. 전술된 바와 같이, ei 의 크기는 갈루아 필드의 설정에 의하여 정해진다. 이를 이용하면, 송신단은 ei의 크기를 알 수 있으며, 수신된 데이터를 순서대로 ei의 크기 단위로 구분하여 i값을 추정할 수 있다. 이때, 수신단은 수신된 데이터가 원본 블록인지 부호화된 블록인지 구분할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 송신단은 데이터 패킷을 생성할 때 원본 블록과 부호화된 블록을 구분하기 위한 필드를 PDU의 헤더 또는 서브헤더에 포함시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 상술된 본 발명의 실시예들이 수행될 수 있는 송신단 또는 수신단으로서, 단말 및 기지국(FBS, MBS)을 설명한다.
단말은 상향링크에서는 송신기로 동작하고, 하향링크에서는 수신기로 동작할 수 있다. 또한, 기지국은 상향링크에서는 수신기로 동작하고, 하향링크에서는 송신기로 동작할 수 있다. 즉, 단말 및 기지국은 정보 또는 데이터의 전송을 위해 송신기 및 수신기를 포함할 수 있다.
송신기 및 수신기는 본 발명의 실시예들이 수행되기 위한 프로세서, 모듈, 부분 및/또는 수단 등을 포함할 수 있다. 특히, 송신기 및 수신기는 메시지를 암호화하기 위한 모듈(수단), 암호화된 메시지를 해석하기 위한 모듈, 메시지를 송수신하기 위한 안테나 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 단말은 저전력 RF(Radio Frequency)/IF(Intermediate Frequency) 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 단말은 상술한 본 발명의 실시예들을 수행하기 위한 콘트롤러 기능, 서비스 특성 및 전파 환경에 따른 MAC(Medium Access Control) 프레임 가변 제어 기능, 핸드오버(Hand Over) 기능, 인증 및 암호화 기능, 데이터 전송을 위한 패킷 변복조 기능, 고속 패킷 채널 코딩 기능 및 실시간 모뎀 제어 기능 등을 수행하는 수단, 모듈 또는 부분 등을 포함할 수 있다.
기지국은 상위 계층으로부터 수신한 데이터를 무선 또는 유선으로 단말에 전송할 수 있다. 기지국은 저전력 RF(Radio Frequency)/IF(Intermediate Frequency) 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 기지국은 상술한 본 발명의 실시예들을 수행하기 위한 콘트롤러 기능, 직교주파수분할다중접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 패킷 스케줄링, 시분할듀플렉스(TDD: Time Division Duplex) 패킷 스케줄링 및 채널 다중화 기능, 서비스 특성 및 전파 환경에 따른 MAC 프레임 가변 제어 기능, 고속 트래픽 실시간 제어 기능, 핸드 오버(Hand Over) 기능, 인증 및 암호화 기능, 데이터 전송을 위한 패킷 변복조 기능, 고속 패킷 채널 코딩 기능 및 실시간 모뎀 제어 기능 등을 수행하는 수단, 모듈 또는 부분 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
도 1은 일반적으로 사용되는 인터넷 프로토콜 스택의 일례를 나타낸다.
도 2는 일반적으로 사용되는 데이터 전송을 위한 각 계층의 동작을 나타낸다.
도 3은 일반적인 IEEE 802.16 시스템의 계층 구조를 나타낸다.
도 4는 서비스 데이터 유닛(SDU)을 이용하여 MAC PDU를 구성하는 방법을 나타낸다.
도 5는 일반적으로 사용되는 IEEE 802.16 시스템 기반의 무선 MAN 이동통신 시스템에서 정의하는 MAC PDU(MAC Protocol Data Unit) 형태의 일례를 나타낸다.
도 6은 일반적으로 사용되는 IEEE 802.16 시스템을 기반으로 하는 무선 MAN 이동통신 시스템에서 사용되는 MAC 헤더 형태의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 랜덤선형부호화를 사용하여 데이터 블록 집합들을 부호화하는 과정을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 송신단 및 수신단에서 랜덤선형부호화를 이용한 데이터 전송 및 수신과정의 일례를 나타낸다.
Claims (14)
- 송신단이 데이터를 수신단에 전송하는 방법에 있어서상위계층 데이터를 소정 크기로 분할하여 생성된 복수의 데이터 블록들을 포함하는 데이터 블록집합에 랜덤선형부호화(RLC)를 적용하여 복수의 부호화된 블록들을 생성하는 단계; 및상기 복수의 부호화된 블록들을 상기 수신단에 전송하는 단계를 포함하되,상기 복수의 부호화된 블록들을 생성하는 단계는,각 행(row)이 기 설정된 갈루아 필드(Galois field) 내에서 독립(independent)한 특성을 갖는 계수행렬(Coefficient matrix)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
- 제 2항에 있어서,상기 계수행렬의 상기 제 1열을 구성하는 각 원소(v i )를 상기 송신단 및 상기 수신단이 공유하는 단계를 더 포함하는, 데이터 전송방법.
- 제 3항에 있어서,상기 각 원소를 공유하는 단계는,상기 송신단 및 수신단의 초기 망 진입(initial network entry)절차를 통하 여 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
- 제 3항에 있어서.상기 복수의 부호화된 블록들은,MAC 헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 상기 수신단에 전송되고,상기 MAC 헤더는,상기 부호화된 블록의 랜덤선형부호화 여부를 지시하는 필드 및 상기 부호화된 블록의 번호를 지시하는 필드 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
- 제 3항에 있어서,상기 복수의 부호화된 블록들은,소정의 서브헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 상기 수신단에 전송되고,상기 소정의 서브헤더는,상기 부호화된 블록의 랜덤선형부호화 여부를 지시하는 필드 및 상기 부호화된 블록의 번호를 지시하는 필드 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
- 수신단에서 데이터를 수신하는 방법에 있어서,복수의 부호화된 블록들을을 상기 송신단으로부터 수신하는 단계; 및제 1 계수행렬(Coefficient matrix)을 이용하여 상기 수신된 복수의 부호화된 블록들을 디코딩하는 단계를 포함하되,상기 제 1 계수행렬은,상기 송신단에서 소정 개수의 원본 데이터 블록에 랜덤선형부호화(RLC)를 적용하여 상기 복수의 부호화된 블록들을 생성하는 과정에서 사용된 계수행렬이며, 각 행이 기 설정된 갈루아 필드(Galois field) 내에서 독립한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 데이터 수신방법.
- 제 8항에 있어서,상기 계수행렬의 제 1열을 구성하는 상기 각 원소(v i )를 상기 송신단 및 상기 수신단이 공유하는 단계를 더 포함하는, 데이터 수신방법.
- 제 9항에 있어서,상기 수신된 복수의 부호화된 블록들을 디코딩하는 단계는,상기 계수행렬에서 상기 복수의 부호화된 블록들 중 오류없이 수신된 소정 개수의 부호화된 블록들의 번호 각각에 대응되는 소정 개수의 행(row)들을 선택하여 제 2 계수행렬을 생성하는 단계;상기 제 2 계수행렬의 역행렬을 생성하는 단계; 및상기 생성된 역행렬 및 상기 오류없이 수신된 소정 개수의 부호화된 블록들을 이용하여 상기 소정 개수의 원본 블록들을 복원하는 단계를 포함하는, 데이터 수신방법.
- 제 10항에 있어서,상기 소정 개수의 부호화된 블록들 각각의 번호는,상기 기 설정된 갈루아 필드에 의하여 결정된 상기 부호화된 블록의 크기를 이용하여 추정된 것을 특징으로 하는 데이터 수신방법.
- 제 11항에 있어서,상기 복수의 부호화된 블록들은,MAC 헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 상기 송신단으로부터 수신되고,상기 MAC 헤더는 상기 프로토콜 데이터 유닛에 포함된 상기 복수의 부호화된 블록들의 랜덤선형부호화 여부를 지시하는 필드를 포함하고,상기 수신단은 상기 소정 개수의 부호화된 블록들 각각의 번호를 추정함에 있어서 상기 랜덤선형부호화 여부를 더욱 고려하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신방법.
- 제 10항에 있어서,상기 복수의 부호화된 블록들은,MAC 헤더를 포함하는 하나 이상의 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 통하여 상기 송신단으로부터 수신되고,상기 MAC 헤더는 상기 부호화된 블록의 번호를 나타내는 필드를 포함하는 것 을 특징으로 하는 데이터 수신방법.
- 제 10항에 있어서,상기 제 2 계수행렬을 생성하는 단계는,상기 공유된 상기 계수행렬의 제 1열을 구성하는 상기 각 원소(v i ) 중에서 오류없이 수신된 오류없이 수신된 소정 개수의 부호화된 블록들의 번호 각각에 대응되는 원소들의 차수를 상기 제 1 계수행렬의 형태를 만족하도록 순차적으로 증가시켜 상기 소정 개수의 행(row)들을 생성하는 단계를 포함하는, 데이터 수신방법.
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