KR20170030235A - 이종 lte 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법으로서, n개의 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법은, 송신기에서 각 통신망의 전송환경 인자를 셋팅하여 입력하는 단계; 송신기에서 안정적인 전송을 위한 목표 복원실패율 p를 설정하고 그에 따른 오버헤드 코드(overhead code) Δ를 계산하여 구하는 단계; 송신기에서 상기 오버헤드 코드 및 전송환경 인자로부터 소스 심벌 수 k와 복구 심벌 수 r를 구하는 단계; 송신기에서 상기 소스 심벌 수 k를 사용해서 데이터를 소스 블록으로 분할하고 RaptorQ 인코더로 k 개의 소스 심벌과 r 개의 복구 심벌을 생성하는 단계; 송신기에서 생성된 소스 및 심벌은 각 LTE 통신망으로 나누어 송신하는 단계 및 수신기에서 적어도 k 개의 소스 또는 복구 심벌을 수신하여 손실된 소스 심벌을 복구하고 디코딩하여 소스 블록으로 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법{Method of reliable data transmission for LTE hetero-networks}

본 발명은 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 이종 LTE 통신망에서 안정성을 보장하여 효율적으로 데이터를 전송하는 알고리즘을 제공하는 것이다.

현재 대한민국에서는 3개 이동통신사업자가 15 Mbps 이상의 업로드 전송속도를 지원하는 LTE/LTE-A/광대역LTE/광대역LTE-A 통신망 서비스를 하고 있다.

이러한 LTE 통신망은 평균 전송 속도는 현재 방송용으로 사용하기에 부족함이 없으나, 데이터 패킷의 손실과 지연이라는 본질적인 속성으로 안정적인 데이터 전송 방법이 필요하다.

UDP(User Datagram Protocol) 전송 방식은 TCP(Transmission Control Protocol) 전송 방식과는 달리 데이터 패킷의 안정적인 전달이 보장되지 않고, 손실된 데이터 패킷에 대해서도 재전송 요청을 하지 않기 때문에, 데이터 패킷을 보낼 때 AL-FEC (Application Layer Forward Error Correction)을 적용하여 보내는 방식으로 데이터의 안정성을 보장할 수 있다.

AL-FEC에서 소거 채널(erasure channel)은 수신된 데이터 패킷이 오류가 있어 완전하지 않으면 데이터 패킷 전부를 손실된 것으로 처리한다. 가령, UDP 패킷 같은 경우 무선망에서 도달을 하면 CRC 체크 등에 의해서 CRC 오류가 있는 경우는 패킷 전체를 버리게 된다.

관련 기술로는 특허문헌 1에 디지털 방송수신기의 파일 처리장치가 제시되어 있고, 특허문헌 2에 와이 기그를 위한 응용 계층 순방향 오류정정 프레임워크가 제시되어 있다.

1. 한국등록특허 제0848273호 2. 한국공개특허 제2013-0018235호

본 발명은 이종망에서 안정적이고 효율적으로 전송하기 위하여 RaptorQ를 사용하는 AL-FEC 알고리즘을 제공하고자 한다.

상기 해결하고자 하는 과제를 위한 n개의 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법은, 송신기에서 각 통신망의 전송환경 인자(parameter)를 셋팅하여 입력하는 단계; 송신기에서 안정적인 전송을 위한 목표 복원실패율 p를 설정하고 그에 따른 오버헤드 코드(overhead code) Δ를 계산하여 구하는 단계; 송신기에서 상기 오버헤드 코드 및 전송환경 인자로부터 소스 심벌 수 k와 복구 심벌 수 r를 구하는 단계; 송신기에서 상기 소스 심벌 수 k를 사용해서 데이터를 소스 블록으로 분할하고 RaptorQ 인코더로 k 개의 소스 심벌과 r 개의 복구 심벌을 생성하는 단계; 송신기에서 생성된 소스 심벌 및 복구 심벌은 각 LTE 통신망으로 나누어 송신하는 단계 및 수신기에서 적어도 k 개의 소스 혹은 복구 심벌을 수신하여 손실된 소스 심벌을 복구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전송환경 인자는 각 LTE 통신망 i의 데이터 전송속도는 Ri, 각 통신망 i의 패킷 손실율은 Li, 심벌의 비트 수는 S 및 최대 데이터 수집시간은 D이고, 상기 목표 복원실패율 p는 10^-2(Δ+1)로 정의되는 것을 특징으로 한다.

상기 오버헤드 코드 Δ는 다음 수학식으로 구하는 것을 특징으로 한다.

상기 소스 심벌 수 k는 다음 수학식으로 구하는 것을 특징으로 한다.

상기 복구 심벌 수 r은 다음 수학식으로 구하는 것을 특징으로 한다.

각 LTE 통신망 i로 송신되는 심벌 수는 DRi/S개인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이종망에서 안정적이고 효율적으로 전송 가능한 알고리즘은 모바일 라우터, 모바일 인코더, 모바일 본더(bonder) 등 LTE 무선망 실시간 송수신기 제품에 적용할 수 있다.

본 발명은 RaptorQ 인코더를 사용할 경우 오버헤드 Δ가 0인 경우에는 복원실패율이 1/100, 1인 경우에는 1/10,000, 2인 경우에는 1/1,000,000로 적은 오버헤드 코드로 안정적인 데이터를 송신할 수 있다.

또한, 컴퓨터 연산량에서 linear time, 즉 O(n)의 특성을 가져 대규모 파일과 스트리밍에 효과적이며, 메모리 사용에서도 효과적이다.

본 발명으로 LTE 서비스가 다양화됨으로써 LTE 망사업자들도 다양한 수익을 창출할 수 있다.

도 1은 AL-FEC에 의한 데이터 송수신 방법이다.
도 2는 본 발명에 따른 이종 LTE 통신망에서 데이터 송수신 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 데이터 송수신 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 데이터 송수신의 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다.본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.

단방향 멀티 캐스트(multi-cast)에서 네트워크의 과부하를 유발하는 재전송요청을 없애고 수신단에게 비동기 수신을 제공하는 방법은, 송신단에서 전송할 파일을 이용하여 끊임없이 부호화된 패킷을 만들어서 전송하고, 각각의 수신단은 피드백이 필요 없이 복호화가 가능할 정도의 패킷만을 수신하여 복호화한다.

도 1에서와 같이 AL-FEC는 데이터 손실이 발생하는 네트워크상에서 데이터를 안정적으로 보내기 위해 소스 블록과 소스 블록으로부터 생성되는 복구 패킷을 네트워크를 통해 보낸다. 네트워크에서는 패킷 손실로 인해 소스 패킷과 복구 패킷의 손실이 발생할 수 있다. 최종적으로는 소스 패킷과 복구 패킷이 도착을 하면 이를 사용해서 손실된 소스 패킷을 복구하여 원래 블록을 복원하는 것이다.

RaptorQ는 AL-FEC의 한 방식으로 송신기에서 보내야할 데이터를 블락 단위로 나누고 각각의 블락안에 있는 k 개의 소스 심벌을 사용해서 r 개의 복구 심벌을 만들어 원래의 소스 심벌 k 개와 생성된 복구 심벌 r 개를 보내고, 수신기에서 소스 심벌 수 k보다 같거나 더 많이 수신된 소스 심벌 혹은 복구 심벌로부터 손실된 소스 심벌을 복구하는 알고리즘이다.

종래의 패킷 손실 방지를 위한 FEC 기술은 에러 코딩으로 통상 하드웨어에서 데이터의 변질을 방지하는 것이나, RaptorQ는 종래의 에러 코딩을 보완하는 것으로 소프트웨어만으로 구현이 가능하고 복호화 과정의 연산량 측면에서 종래의 LT (Luby Transform) 코드보다 더 좋은 성능을 가지고 있다.

분수 코드(fountain code)란 주어진 소스 심벌로부터 무한히 많은 복구 심벌을 발생할 수 있어 부호화한 데이터의 양이 미리 정해지지 않는(rateless) 특성을 말한다. 분수 코드는 LT 코드로 구현될 수 있고 후에 Raptor 코드로 발전되었다. Raptor 코드는 사전에 소스 심벌을 코딩하는 것(pre-coding)으로 인코딩 및 디코딩을 위해 소스 심벌로부터 중간 심벌 (intermediate symbol)를 생성하고, (잃어버린) 소스 혹은 복구 심벌을 중간 코드의 적은 수의 배타적 합(XOR)으로 생성할 수 있는 효율적인 분수 코드이다.

RaptorQ는 하나의 블록에 들어있는 소스 심벌 k 개에 대해서 (k+Δ)개의 소스 혹은 복구 심벌이 수신이 되면, 손실된 소스 심벌(lost source symbol)을 모두 복원하는데 실패할 확률이 10^-2(Δ+1)가 되는 아주 뛰어난 특성을 갖고 있다.(참고문헌: Qualcomm document, TSG-SA4#64 meeting, 11-25 pr. 2011, San Diego, CA, USA)

예를 들어, 한 블록에 들어가는 소스 심벌의 수가 k 이고, 이 한 블록에 대한 소스 심벌과 복구 심벌을 네트워크로 보냈을 때 수신되는 소스 혹은 복구 심벌의 수가 다음과 같이 k, k+1, k+2 개라고 하면 손실된 소스 심벌을 복원하는데 실패할 확률이 표 1과 같게 된다.

본 발명에서는 이종 LTE 통신망에서 안정적이고 효율적으로 전송 가능하도록 RaptorQ AL-FEC를 사용하여 데이터를 보내는 방법을 제시하고자 한다.

도 2와 같은 n 개의 이종 LTE 통신망에 있어서, 각 통신망의 데이터 전송속도는 Ri bps, 각 통신망의 패킷 손실율은 Li, 패킷(심벌)의 bit 수가 S, 용인 가능한 최대 데이터 수집시간은 D이고, 목표로 하는 최종 도달한 심벌의 오버헤드 코드(overhead code)가 Δ일 때. 즉, k 개의 소스 심벌에 대해서 k+Δ 개의 소스와 복구 심벌이 도달하는 것을 목표로 할 때 소스 심벌 복원실패 확률 p는 10^-2(Δ+1) 이다.

도 3은 데이터 송수신 시스템의 블록도로서, 송신기에서는 데이터를 복수의 소스 블록으로 분할을 한다. 분할된 각 소스 블록은 RaptorQ 인코더에서 k개의 소스 심벌과 r 개의 복구 심벌을 생성하여 부호화하여 통신망으로 송신한다. 이때 통신망에서는 소스 심벌 또는 복구 심벌이 손실될 수 있다.

수신기에서는 적어도 k 개의 소스 심벌 혹은 복구 심볼을 수신하여 RaptorQ 디코더로 손실된 소스 심벌을 복구하여 소스 블록을 생성하고 각 소스 블록을 합하여 데이터로 복원한다.

도 4는 도 3의 데이터 송수신 시스템을 이용하여 데이터를 송수신하는 흐름도를 보여주며, 각 단계를 설명하면 다음과 같다.

1) 송신기에서 각 통신망의 전송환경 인자(parameter)를 셋팅하여 입력한다. n 개의 이종 LTE 통신망에서, 각 통신망 i의 데이터 전송속도는 Ri bps, 각 통신망 i의 패킷 손실율은 Li이다.

패킷(심벌)의 비트 수는 S, 용인 가능한 최대 데이터 수집시간은 D이다. D는 데이터를 모으는 시간으로 수집이 완료되면 전송되므로 데이터 지연 시간에 해당이 된다. 이 지연시간 D 는 application domain의 상황에 맞게 사용자가 자신이 최대로 용인할 수 있는 지연시간으로 자신의 필요성에 따라 적정한 값으로 설정을 한다.

2) 데이터를 안정적으로 전송하기 위한 목표 복원실패율 p을 설정하고 그에 따른 오버헤드 코드 Δ를 다음 수학식 1로 구한다.

3) 설정된 목표 복원실패 확률을 위한 소스 심벌 수 k와 복구 심벌 수 r을 계산한다.

최대 데이터 수집시간 D 시간 동안 각 LTE 통신망 i는 DRi/S 개의 심벌을 보낼 수 있다. n 개의 모든 LTE 망을 사용해서 보낼 수 있는 심벌의 수는

가 된다.

각 LTE 망의 패킷 손실율이 Li 이므로 수신기에 최종 도착하는 소스 및 복구 심벌의 수는

가 된다.

따라서 전송해야 할 소스 심벌의 수 k와 복구 심벌의 수 r은 각각 수학식 2과 수학식 3으로 구할 수 있다.

4) 계산된 소스 심벌 수 k를 사용하여 데이터를 소스 블록으로 분할하고, 각 소스 블록을 송신기의 RaptorQ 인코더를 사용하여 k개의 소스 심벌과 r개의 복구 심벌을 생성한다. 일반적인 알고리즘과는 달리 본 발명은 계산된 소스 심벌 수 k를 사용하여 데이터를 분할하는 것이 특징이다.

5) 생성된 소스 및 심벌은 각 LTE 통신망 i로 나누어 송신한다. 즉, 통신망 i는 DRi/S 개의 심벌을 보낸다. 이때 통신망에서는 소스 또는 복구 심벌에서 손실이 발생할 수 있다.

6) 수신기에서는 적어도 k 개의 소스 또는 복구 심벌을 수신하여 손실된 심벌을 복구하고 디코딩하여 소스 블록으로 복원한다.

오버헤드 Δ가 0인 경우에는 복원실패율이1/100, 1인 경우에는 1/10,000, 2인 경우에는 1/1,000,000로서 비교적 작은 오버헤드 코드로 안정적인 데이터를 송신할 수 있다.

따라서 수신기에는 소스 심벌 복원실패 확률이 10^-2(Δ+1)인 소스 및 복구 심벌이 도착하여 안정적인 데이터를 수신하게 된다.

Claims (6)

1. n 개의 이종 LTE 통신망을 사용하여 안정적인 데이터 송수신하는 방법에 있어서,
   송신기에서 각 통신망의 전송환경 인자를 셋팅하여 입력하는 단계;
   송신기에서 안정적인 전송을 위한 목표 복원실패율 p를 설정하고 그에 따른 오버헤드 코드(overhead code) Δ를 계산하여 구하는 단계;
   송신기에서 상기 오버헤드 코드 및 전송환경 인자로부터 소스 심벌 수 k와 복구 심벌 수 r를 구하는 단계;
   송신기에서 상기 소스 심벌 수 k를 사용해서 데이터를 소스 블록으로 분할하고 RaptorQ 인코더로 k 개의 소스 심벌과 r 개의 복구 심벌을 생성하는 단계;
   송신기에서 생성된 소스 및 심벌을 각 LTE 통신망으로 나누어 송신하는 단계 및
   수신기에서 적어도 k 개의 소스 혹은 복구 심벌을 수신하여 손실된 소스 심벌을 복구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법.
2. 제1항에서,
   상기 전송환경 인자는 각 LTE 통신망 i의 데이터 전송속도는 Ri, 각 통신망 i의 패킷 손실율은 Li, 심벌의 비트 수는 S 및 최대 데이터 수집시간은 D이고,
   상기 목표 복원실패율 p는 10^-2(Δ+1)로 정의되는 것을 특징으로 하는, 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법.
3. 제2항에서,
   상기 오버헤드 코드 Δ는 다음 수학식으로 구하는 것을 특징으로 하는, 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법.
   

   
4. 제2항에서,
   상기 소스 심벌 수 k는 다음 수학식으로 구하는 것을 특징으로 하는, 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법.
   

   
5. 제2항에서,
   상기 복구 심벌 수 r은 다음 수학식으로 구하는 것을 특징으로 하는, 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법.
   

   
6. 제1항에서,
   각 LTE 통신망 i로 송신되는 심벌 수는 DRi/S개인 것을 특징으로 하는, 이종 LTE 통신망에서 안정적인 데이터 송수신 방법.

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