특허 분석 : 랜덤 접속 절차 메시지를 포함하는 타이밍 충돌 처리

 해당 특허는 2020년 11월 24일 국내에서 출원되었으며, 2022년 8월 12일에 등록되었다. 출원인은 구글 엘엘씨이다. 이 출원에 대해 우선권 주장이 있어고, 그 근거가 되는 선출원은 미국에서 2019년 11월 26일에 출원되었다. 발명의 주 내용은 랜덤 채널 접속 절차와 관련된 타이밍 충돌을 처리하기 위한 방법과 그 방법을 구현하기 위한 디바이스이다. 청구항은 총 9항이며, 방법 발명과 물건 발명이 모두 청구항에 기재되어 있었으나 주된 발명의 종류는 방법 발명이다. 더 세부적으로 분석하자면 해당 출원서에 기재된 발명은 BM 발명에 속한다. BM의 경우, "자연법칙을 이용해야 한다"는 특허법 상 발명의 정의에 부합하지 않을 수 있으나, 최근 기술과 산업의 발전으로 발명의 종류와 형태가 다양해지고 이들을 보호해야할 필요성이 증가함에 따라 실무에서는 발명의 정의에 대해 광의적으로 해석하고 있다. 그럼에도 불구하고, 발명의 일부가 자연법칙을 이용하지 않고 있다하더라도 발명 전체로 보았을 때는 자연법칙을 이용하고 있어야함을 판례에서는 밝히고 있기에 유의할 필요가 있다.

 

기술 배경

 단말(UE)과 기지국 사이에서 무선 통신을 위해서는 동기화가 필요하다. 동기화를 위해서 단말에서 기지국으로 신호를 전송하기 위해서는 RACH(Random Access Chanel) 절차를 밟게 된다. RACH 절차는 대게 단말이 기지국으로 Random Access preamble을 전송함으로써 시작되는 데, 이때 Random Access preamble은 단말에서 사전 정의된 패턴 혹은 서명 세트로부터 랜덤하게 선택된다. 단말이 선택하는 Random Access preamble은 랜덤이기 때문에 기지국은 동일한 PRACH(Physical Random Access Chanel) 기회 동안 둘 이상의 단말로부터 동일한 프리앰블을 잠재적으로 수신할 수 있다. 이 때 기지국은 단말 간의 경쟁을 해결하기 위해 추가적인 메시지를 활용할 수 있다.

 이 출원서에서 다루는 RACH 절차는 "4-단계 경쟁기반 RACH 절차", "2-단계 경쟁기반 RACH 절차"이다. 이 중 2-단계 경쟁기반 RACH 절차는 기존의 4-단계 경쟁기반 RACH 절차 중 1, 3 단계를 묶어 1 단계로 하고, 2, 4 단계를 묶어 2 단계로 하여 압축을 하였다는 특징이 있다. 

 4-단계 경쟁기반 RACH 절차는 말 그대로 4 개의 단계를 거쳐 단말과 기지국 사이의 동기화를 이루어 낸다. 단계 1 에서 단말은 PRACH 기회에 기지국으로 Random Access preamble을 전송한다(Msg1). 해당 메시지를 수신한 기지국은 디코딩 후 필요한 자원을 얻는다. 단계 2에서 기지국은 단말에 RACH response 메시지를 전송한다(Msg2). 이 때 RACH response에는 계산된 자원(시간, 주파수)와 관련된 정보를 가지고 있다. 단말은  RACH response 메시지를 바탕으로  RB를 할당하고, MCS를 구성한 후 RRC 연결 요청을 위한 준비를 한다. 3 단계에서 프리앰블 및 PRACH와 연관된 PUSCH(Physical Uplink Share Chanel) 기회에 기지국으로 스케줄링된 데이터들을 전송한다(Msg3). 그 중 RRC(Remote Resource Control) Request 메시지가 포함되어 있다. 마지막 단계 4에서는 기지국은 단말에 경쟁 해결책을 전송한다(Msg4).

 

4-단계 RACH 절차

 

 2-단계 경쟁기반 RACH 절차는 앞서 언급하였던 것 처럼 4 단계 경쟁기반 RACH 절차가 압축된 형태이다. 단계 1에서 단말은 프리앰블과 관련된 PRACH 및 PUSCH 기회 각각에 기지국으로 Random Access preamble 및 스케줄링된 데이터를 전송한다(MsgA). 단계 2에서 기지국은 RAR 및 경쟁 해결책을 단말로 전송한다. 기지국이 만약 단계 1에서 단말로부터 Random Access preamble만을 수신 받고 디코딩하였지만, PUSCH 기회에서 수신 받은 정보를 제대로 디코딩하지 못한 경우, 기지국은 단말로 하여금 4-단계 랜덤 접속 절차로 폴백하도록 요청하는 fallbackRAR을 단말에 송신한다. 

 

2-단계 RACH 절차(MsgA가 제대로 수신된 경우)

 

2-단계 RACH 절차(MsgA가 제대로 수신되지 않은 경우)

 

 2-단계 경쟁기반 RACH 절차 중 때로는 단말이 MsgA를 송신하는 중, 기지국으로부터 다른 신호를 전송하도록 요청받을 수 있다. 이 경우, 원래 보내려던 신호의 전송 타이밍과 요청받은 신호의 전송 타이밍이 겹치는 경우가 발생할 수 있다. 일부 단말의 경우, 한 번에 하나만의 신호를 전소할 수 있다는 점을 고려할 때, 충돌을 해결할 수 있는 메커니즘이 필요하다. 2-단계 RACH 절차 중의 송신 타이밍 충돌에 대해 마땅한 해결책이 없는 당시 시점에서, 이러한 충돌은 단말이 의도한 메시지 및 신호를 모두 전송하지 못하거나, 적시에 전송하지 못하게 함으로써 네트워크 효율성을 저하시키는 문제가 발생하였다.

 본 발명은 RACH 절차 상에 발생하는 전송 충돌 문제를 해결함으로써 전에 해결하지 못하였던 충돌로 인한 네트워크 효율성 저하를 막는 것을 목적으로 한다.

 

발명dml 내용

 본 출원의 첫 번째 청구항을 보면 다음과 같이 기재되어 있다.

 

사용자 디바이스에서 통신 채널에 대한 접속을 획득하기 위한 랜덤 접속 절차와 관련된 타이밍 충돌을 처리하기 위한 방법으로서, 상기 방법은, 기지국으로부터, 업링크 데이터를 전송할 기회를 사용자 디바이스에게 허가(grant)하는 메시지를 수신하는 단계, 상기 기회는 제2 시간 기간을 포함하고; 사용자 디바이스의 처리 하드웨어에 의해, 사용자 디바이스가 기지국으로 랜덤 접속 절차 메시지의 적어도 데이터 부분을 전송하기 위한 제1 시간 기간이 제2 시간 기간과 오버랩된다고 결정하는 단계; 처리 하드웨어에 의해, 랜덤 접속 절차 메시지에 대한 전송 타이밍을 수정할지 또는 대신 업링크 데이터에 대한 전송 타이밍을 수정할지 여부를 나타내는 전송 우선권(precedence)을 결정하는 단계, 상기 전송 우선권을 결정 하는 단계는 메시지가 사용자 디바이스에게 (i) 기지국이 수신 또는 디코딩하지 못한 업링크 데이터를 재전송할 기회, 또는 (ii) 새로운 업링크 데이터를 전송할 기회를 허가하는지 여부에 기초하고; 및 결정된 전송 우선권에 기초하여, (i) 기회가 기지국이 수신 또는 디코딩하지 못한 업링크 데이터를 재전송할 기회인 경우, 제1 시간 기간 동안 기지국으로 랜덤 접속 절차 메시지의 적어도 데이터 부분을 전송하는 단계, 또는 (ii) 기회가 새로운 업링크 데이터를 전송할 기회인 경우, 제2 시간 기간 동안 기지국으로 새로운 업링크 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이밍 충돌을 처리하기 위한 방법.

 

출원서에 기재된 발명들을 분석하는 방법 중 하나는 가장 첫 번째 청구항을 보는 것이다. 대부분의 출원서들이 청구항을 기재 함에 있어서, 가장 범주가 넓고 기본이되는 발명을 첫 번째 청구항에 기재하고, 나머지 청구항에는 첫 번째 청구항에 기재된 발명을 변형하거나, 일부 요소들을 추가한 발명을 기재하기 때문이다. 

 첫 번째 청구항에 기재된 발명을 요약하면 다음과 같이 요약할 수 있을 것 같다.

 

랜덤 절차 접속과정 중 본래 송신해야할 사용자 데이터 외 다른 송신이 필요한 경우에 대해 기지국으로부터 이미 사용자 디바이스가 업링크(Uplink) 데이터를 전송할 기회를 허락(Grant)받았을 때, 사용자 기기는 자체적으로 본래의 데이터 송신과 새로운 데이터 송신이 시간적으로 충돌하는 지를 판단하고(1 단계), 충돌로 판단되는 경우 두 송신 중 어느 송신의 타이밍을 수정할 것인지 우선권을 정한 후(2 단계), 전 단계의 판단을 바탕으로 본래의 데이터를 송신하거나 혹은 새로운 데이터를 송신함으로써 타이밍 충돌을 처리하는 방법

 

전체적인 우선순위 결정 과정

 

 

 

 본격적인 설명에 앞서 단말기와 기지국에 대해 설명할 필요가 있을 것 같다. 단말기와 기지국 모두 MCU를 중앙 처리 장치로 하며, 그외 보조 메모리 장치 등을 탑재하고 있는 기기이다. 단말기의 경우 RACH 제어기, 충돌 검출 유닛, Tx 우선권 유닛, 데이터 버퍼로 구성되며, 각각 RACH를 제어하고, 보내야할 데이터와 새로 전송할 데이터 간의 타이밍 충돌 예측, 앞으로 전송해야 하는 데이터의 저장, 충돌 검출 유닛에서 충돌이 예상되는 전송들간 우선권 부여를 담당한다. 기지국 단의 RACH 제어기 역시 단말과 유사하게 RACH 절차 제어를 담당한다. 단말과 기지국 모두 4-단계 RACH 절차 제어, 2-단계 RACH 절차 제어, fallbackRAR 전송을 할 수 있다.

 

 

 

 기본적으로 발명의 설명에 기재되어 있는 내용은 2-단계 RACH 절차를 기준으로 설명되고 있다. 문제가 되는 시점은 2-단계 RACH 절차는 MsgA, 그 중에서도 payload를 보내는 과정에서 발생한다. 이 때 기지국은 단말의 상태를 모르고 필요한 데이터의 전송을 요청함과 동시에, 일부 시나리오에서는 PUSCH 기회를 제공할 수 있다. 만약 이때 사용자가 새로운 데이터를 보내고자 한다면, 별도의 RACH 절차를 밟을 필요 없이 바로 해당 데이터를 송신하는 것이 가능하다. 단말은 새로 전송할 데이터를 요청받은 경우, 두 가지를 고려할 필요가 있다. 하나는 원래 데이터를 보내고자 한 타이밍과 새로 전송해야 하는 타이밍이 서로 겹치는 지의 여부를 판단해야 한다. 만약 두 타이밍이 겹치지 않는다면 굳이 충돌 해결 방법을 사용할 필요가 없다. 두 번째는 타이밍이 충돌하는 2개의 신호 사잉의 전송 우선권을 결정해야 한다. 단말은 타이밍이 충돌하는 신호들 중 적어도 하나의 유형에 기초하여(예를 들어  PUSCH 데이터 전송 vs PUSCH 데이터 재전송), 구현과 시나리오에 따른 데이터 우선 순위 레벨, 채널 품질 정보 혹은 요인에 기초하여 데이터 우선권을 결정하게 된다.  충돌하는 2개의 데이터에 대해, 본래 전송하고자 한 데이터의 우선순위가 높은 경우, 본래의 메시지 타이밍을 수정하지 않고, 새로 전송해야 할 메시지를 수정하게 된다. 반대로 새로 전송해야할 메시지가  본래의 메시지에 비해 우선수위가 높은 경우 본래의 메시지를 지연 혹은 중단시킬 수 있다.    

 

가장 기본적인 충돌 해결 방법

 

 좀더 우선권을 결정함에 있어서 관여하는 여러가지 상황들에 대해 살펴볼 필요가 있다.

 첫 번째는 기지국이 보내온 요청에 새로운 전송을 위한 PUSCH가 허가되었는 지, 혹은 재전송을 위한 PUSCH 허가되었는 지의 여부이다.

 

 

새로운 전송 vs 재전송

 

 만약 새로운 전송을 위한 PUSCH 기회가 허락된 경우, MsgA에서 본래 보낼려고 한 데이터의 종류에 상관없이, 무조건 기지국이 요청한 전송이 본래의 전송에 우선하게 된다. 따라서 원래의 메시지는 전송되지 않고, 별도의 RACH 절차를 거치지 않고 바로 새로운 전송이 기지국으로 가게 된다. 이 때, 후순위로 밀린 전송은 차후 새로운 전송과 타이밍이 겹치지 않는다는 조건하에, 여러 RACH preamble 세트중 가장 시간상 빠른 것을 고를 수 있게 된다. 반면 재전송을 위한 PUSCH 기회가 허락된 경우, 단말은 버퍼의 데이터가 재전송 데이터보다 우선 순위가 높은 지를 판단할 필요가 있다. 현상황에서 데이터 버퍼에 들어있는 것은 MsgA의 payload 부분이다. 만약 재전송해야할 데이터(MsgA)가 기지국에서 요청한 데이터 보다 우선순위가 높은 경우 단말은 PUSCH 기회에 우선순위가 더 높은 데이터가 현재 데이터 버퍼에 있음을 기지국에 전송하고 본래 전송해야할 데이터를 전송할 수 있다. 

 새로이 보내는 데이터의 종류에 따라서도 전송 우선순위가 변할 수 있다. 예를 들어 밑의 도면에 기재된 SRS, CQO, PUSCH 신호는 본래 보내야할 MsgA 신호에 비해 항상 우선순위가 높다고 할 것이며,  둘 사이의 충돌이 예상되는 경우 우선적으로 새로운 신호를 보내고, MsgA 전송을 중단 혹은 연기할 것이다.

 

새로이 전송해야할 데이터의 종류가 다른 경우

 

반면 경우에 따라서 데이터의 종류가 아닌 특정상황에 따라서 데이터 전송 우선순위가 바뀔 수도 있는데, 새롭게 전송해야 하는 신호가 CQI/CSI 신호인 경우가 그러하다. 이 신호들은 하나 이상의 품질 메트릭이 일부 수용 가능한 임계값을 초과하였다고 판단되는 경우 MsgA에 대해서 우선권을 가지고 그러하지 않은 경우 전송하지 아니한다. 부가적으로 기지국 입장에서는 채널 품질 판단을 위해서 주기적으로 요청을 뿌릴 필요가 없게 된다. 그냥 CQI/CSI 신호를 특정 단말에서 송신하였는 지 판단만 하면 끝나는 문제기 때문이다.

 

CQI/CSI 신호

 

마무리

 5G 시대가 도래하면서 새로이 제안된 2-단계 RACH 절차 중 충돌 문제를 해결하는 방안에 대해 특허를 냄으로서 구글이라는 커다란 집을 지탱할 수 있는 기술에 대해 독점권을 확보하려는 것 같다. 특히 발명의 설명 마지막 부분에 여러 응용될 수 있는 단말의 종류를 나열하면서도, 그러한 나열들이 발명의 범위를 제한하지는 않는다는 점을 명시한 것으로 보아 청구항에 기재된 발명들이 축소 해석되는 것을 방지하고 싶은 생각이 있는 것 같았다. 단순 구글 검색부터 유튜브, 지도 등 구글의 주력 상품들이 인터넷과 연관되어 있고, 통신 기술의 발달에 따라서 그에 대응하는 문제점들이 생겨나고 있음을 고려할 때 이 기술은 새로운 문제 중 하나인 충돌 해결방법의 부재를 해결함으로써, 네트워크상의 장애를 해결할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

 개인적인 분석 소감을 들자면, 네트워크에 대한 지식이 거의 없어서 어려움을 느꼈던 것 같았다. 안에 담고 있는 내용도 이 글에서 다룬 것보다 훨씬 자세하고, 만약 이 분야에 관심이 있다면 한 번쯤은 발명의 구체적인 내용 부분을 읽어볼 만 하다는 생각도 들었다. 공고 전문을 파일로 첨부하면서 이 글을 마치고자 한다. 

 

공고전문.pdf

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