KR100567469B1

KR100567469B1 - 스마트 무선 통신시스템을 위한 매체 접속 제어 방법

Info

Publication number: KR100567469B1
Application number: KR1020030005868A
Authority: KR
Inventors: 김두석; 이천우; 오경철; 박종로; 이필종
Original assignee: 텔레시스 인코포레이티드
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2006-04-03
Also published as: KR20040069465A

Abstract

반송파 감지 매체 접속 제어(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance: 이하 "CSMA/CA") 프로토콜을 기반으로 하는 무선 통신시스템에서 고속의 서비스 가능 영역을 제공하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이러한 본 발명은 스마트 어레이 안테나를 사용하는 무선 통신시스템을 위한 적응 매체 접속 제어(Adaptive Medium Access Control) 방식에 관한 것으로, 스마트 안테나 기술을 IEEE 802.11 무선 LAN 시스템에 적용하더라도 스마트 안테나 기술의 장점이 최대한 드러나도록 하기 위해, Omni 지향성 안테나와 빔성형 지향성 안테나를 적절히 조합하여 통신하는 적응 매체 접속 제어(MAC: Medium Access Control) 방식을 제안한다. 이러한 본 발명에 의해 제시된 MAC 제어 방식은 프레임 내용에 변경_없이 IEEE 802.11 표준을 따르면서도 고속으로 서비스할 수 있는 영역을 넓게 확장할 수 있는 이점이 있다.

무선 LAN 시스템, CSMA/CA, MAC, 스마트 어레이 안테나

Description

스마트 무선 통신시스템을 위한 매체 접속 제어 방법 {Adaptive Medium Access Control Method for use in a Smart Wireless Communication System}

도 1은 본 발명이 적용되는 무선 통신시스템의 망 구성을 보여주는 도면으로, 일예로 일대다(Point-to-Multipoint) 통신을 하는 무선 LAN의 망 구성을 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 무선 통신시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

도 3은 일반적인 무선 LAN 통신시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

도 4는 IEEE 802.11 규격에 따라 무선 매체를 통해 전송되는 프레임의 구조를 보여주는 도면이다.

도 5는 IEEE 802.11 규격에 따른 MAC 프레임의 구조를 보여주는 도면으로, 상기 도 4의 MAC 헤더의 구체적인 구조를 나타낸다.

도 6은 IEEE 802.11 규격에 따른 프레임 제어 필드의 구조를 보여주는 도면으로, 상기 도 5에 도시된 프레임 제어 필드(51)의 구체적인 구조를 나타낸다.

도 7은 IEEE 802.11 규격에 따른 프레임 제어 필드의 비트값에 따른 프레임 유형의 구분이 가능함을 보여주는 도면이다.

도 8은 Omni 안테나를 사용하는 일반적인 무선 LAN 시스템에서 전송률에 따른 서비스 가능 영역을 보여주는 도면이다.

도 9는 스마트 안테나를 사용하는 시스템에서 빔성형에 의한 송수신으로 인해 주변의 시스템이 Hidden Node화되는 문제를 보여주는 도면이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 송신기와 수신기가 Omni 안테나를 통해 RTS/CTS 프레임을 교환(handshake)하는 동작을 보여주는 도면이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 동작에 의해 Omni 안테나를 통해 RTS/CTS 프레임 전송 후 스마트 안테나에 의한 빔성형 전송으로 고속 서비스 영역이 확장됨을 보여주는 도면이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적응 매체 접속 제어 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면으로, Omni 안테나와 스마트 안테나를 조합하여 사용하는 절차를 나타낸다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 동작에 의해 Omni RTS/CTS 프레임 교환 후 빔성형에 의한 고속 데이터 전송 동작에 대한 전체 동작 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따라 Omni 안테나를 통해 RTS/CTS 프레임 교환 시 공간 프로세싱에 의한 빔성형 제어 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따라 Omni 안테나를 통해 RTS/CTS 프레임 교환 후 빔성형 고속 데이터 전송 시의 빔성형 제어 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 빔성형에 의한 고속 데이터 전송과 이에 대한 응답을 수신하기 위해 수신 빔성형을 위한 제어 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 동작에 의해 Omni 안테나를 통해 CTS 프레임 전송 시 공간 프로세싱에 의한 빔성형 제어 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 18은 본 발명의 실시예에 따라 Omni 안테나를 통해 CTS 프레임 전송 후 빔성형 고속 데이터 전송 시의 빔성형 제어 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 수신 빔성형 제어 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 20은 본 발명이 적용되는 통신시스템에서 IEEE 802.11 규격에 따른 매체 접속 제어(MAC) 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 21은 본 발명이 적용되는 통신시스템에서 IEEE 802.11 규격에 따른 MAC 타이밍을 보다 상세하게 보여주는 도면이다.

도 22 및 도 23은 본 발명이 적용되는 통신시스템의 수신기가 프레임들 사이의 시간 간격이 SIFS인 데이터 프레임을 수신하고 이 수신 데이터 프레임에 대한 응답인 ACK 프레임을 전송하는 동작 타이밍을 보여주는 도면들이다.

도 24 및 도 25는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법의 동작 타이밍을 보여주는 도면들이다.

도 26은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법이 적용된 단말이 미리 더미 신호 또는 정상 프레임의 프리앰블을 내 보내다가 수신 프레임을 모두 받은 결과 데이터 일부가 깨져서 CRC 에러가 판명되었거나 기타 SIFS 응답 요건이 충족되지 않아서 전송을 취소하는 경우의 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 27은 본 발명의 제2 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법의 동작 타이밍을 보여주는 도면이다.

도 28은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법이 적용된 단말이 무선 매체상으로 전송하는 프레임의 구조를 보여주는 도면이다.

도 29는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 동작을 위한 BBP와 MAC 간의 신호 제어 흐름을 보여주는 도면이다.

도 30은 본 발명의 제2 실시예에 따른 거리 제한 극복 동작을 위한 BBP와 MAC 간의 신호 제어 흐름을 보여주는 도면이다.

본 발명은 통신시스템의 매체 접속 제어 방식에 관한 것으로, 특히 반송파 감지 매체 접속 제어(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance: 이하 "CSMA/CA") 프로토콜을 기반으로 하는 무선 통신시스템에서 고속의 서비스 가능 영역을 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.

최근에 무선 인터넷에 대한 수요가 급증하고 있는 가운데 데이터 통신 기기간에 무선으로 유선에 버금가는 고속으로 멀티미디어 통신을 할 수 있는 핵심 기술들이 날로 발전을 거듭하고 있다. 특히 무선 랜(wireless local area network(LAN)) 보급 장비가 전 세계적으로 3천만대를 넘어서면서 무선 LAN이 단순 히 가정이나 사무실 영역에서 무선 네트워킹 기술로 사용되던 범주에서 벗어나 광대역 무선 인터넷 접속 수단으로써 더욱 고속화하면서 사용 영역을 확대할 수 있도록 하기 위한 방안에 대해 관심이 고조되고 있다.

현재 널리 보급되었거나 보급되고 있는 무선 LAN 통신 기기는 모두 IEEE 802.11 프로토콜을 기반으로 하고 있다고 하여도 과언이 아니다. 물론 블루투스(BlueTooth)가 좁은 영역에서 소수의 저속 휴대 단말들을 대상으로 무선 통신을 제공하지만 무선 LAN에 비해 서비스 가능 영역이나 속도면에서 현저히 떨어진다. 또한 IEEE 802.16이나 HIPERLAN와 같은 별도의 표준 규격이 논의되고 있으나 아직 상용화되지는 않았으므로, 이미 필드에서 검증되고 계속 개선이 이루어지고 있는 IEEE 802.11 시스템에 비해 안정성이나 가격면에서 불리할 것은 자명하다. 따라서 무선 네트워킹 분야에서 IEEE 802.11 프로토콜은 유선 네트워킹 분야에서의 이더넷(Ethernet)과 마찬가지로 무선 LAN 영역은 물론 무선 MAN 영역에 이르기까지 사실상의 표준으로 자리 잡아 갈 것으로 예상된다.

상기 IEEE 802.11 프로토콜을 기반으로 하는 무선 LAN에서는 옴니 지향성(Omni-directional) 안테나 (이하 "Omni 안테나 "라 칭함)가 사용되고 있다. 이와 같이 Omni 안테나를 사용하는 일반적인 무선 통신시스템에서는 전파가 도 8과 같이 수신 시스템의 위치에 상관없이 전방향으로 균등하게 퍼지게 되므로 거리가 멀어지면 이에 따라 수신 전파의 세기가 급격히 감소하게 되고 신호가 열화되므로 송수신되는 데이터가 유실되거나 오류가 발생하게 된다. 즉, 현재의 무선 LAN에서는 데이터 전송률 별로 서비스 가능 영역이 제한을 받게 된다.

한편 무선 통신시스템에서 고속의 서비스 가능 영역을 확대하기 위한 방안으로 스마트 안테나(Smart antenna)가 소개된 바 있으며, 이 스마트 안테나의 활용에 대한 필요성이 가중되고 있다. 상기 스마트 안테나의 기본 원리는 원하는 방향으로 송수신 빔 패턴을 형성함으로써 전파의 송신 및 수신 감도를 향상시키는 것으로, 간섭신호 속에서 원하는 신호만을 추출해 내고 원하는 신호의 방향으로는 큰 이득을 주고 다른 방향으로는 적은 이득을 주어서 동일한 전송 전력에 대해 송수신단이 더 많은 전력을 얻도록 하는 것이다. 즉, 상기 스마트 안테나를 사용하여 통신을 하게 되면, 원하는 가입자가 있는 곳에서는 송신 신호의 보강 간섭이 일어나고, 그리고 원치 않는 가입자가 있는 곳에서는 송신 신호가 간섭신호로 작용하여 상쇄 간섭이 일어나게 되는데, 이러한 방식은 소위 "빔성형(beam-forming) "이라고 불리운다. 이와 같이 스마트 안테나를 사용하게 되면, 스마트 안테나를 통해 데이터 통신이 이루어지는 시스템간에만 송신 혹은 수신 빔성형에 의해 신호대잡음비(Singal-to-Noise Ratio: SNR)를 높여주는 결과가 되기 때문에 데이터 송수신 성능을 크게 향상 시킬 수 있게 된다. 또한 전파 신호가 특정 방향으로만 빔성형을 하게 되므로 다중경로(Multi-path) 영향이 현저히 줄어들 수 있고, 특정 방향 및 지역으로만 빔성형을 하게 되므로 주파수 재사용성을 높일 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 무선 통신시스템에서 고속의 서비스 가능 영역을 확대시키기 위한 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 스마트 안테나 기술을 CSMA/CA 방식을 사용하여 통신하는 무선 통신시스템에 적용하여 신호를 송수신하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스마트 안테나 기술을 사용하는 CSMA/CA 방식의 통신시스템에서 빔성형 신호 송신시 다른 단위 망에 미치는 영향을 최소화하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스마트 안테나 기술을 사용하는 CSMA/CA 방식의 통신시스템에서 빔성형 신호 수신시 다른 단위 망에 의해 받는 영향을 최소화하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스마트 안테나 기술을 사용하는 CSMA/CA 방식의 통신시스템에서 전파 지연으로 인해 통신 가능한 거리가 제한되는 한계를 극복하기 위한 방법을 제공함에 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 스마트 어레이 안테나를 사용하는 무선 통신시스템을 위한 적응 매체 접속 제어 (Adaptive Medium Access Control) 방식에 관한 것으로, 스마트 안테나 기술을 IEEE 802.11 무선 LAN 시스템에 적용하더라도 스마트 안테나 기술의 장점이 최대한 드러나도록 하기 위해, Omni 지향성 안테나와 빔성형 지향성 안테나를 적절히 조합하여 통신하는 적응 매체 접속 제어(MAC: Medium Access Control) 방식을 제안한다. 이러한 본 발명에 의해 제시된 MAC 제어 방식은 프레임 내용에 변경없이 IEEE 802.11 표준을 따르면서도 고속으로 서비스할 수 있는 영역을 넓게 확장할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명의 제1 견지(aspect)에 따르면, 기지국과 다수의 단말들을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 단말들중 하나의 단말과 무선으로 통신하기 위한 상기 기지국에서의 매체 접근 제어 방법이 제공된다.

상기 방법은, 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 제공하는 과정과, 데이터 프레임의 전송이 요구될 때 상기 옴니 안테나를 통해 미리 설정된 프레임을 전송하여 상기 단말 사이의 채널을 예약하는 과정과, 상기 데이터 프레임을 상기 스마트 어레이 안테나를 통해 상기 단말로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 견지(aspect)에 따르면, 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템과 상기 수신 시스템 간의 무선 통신을 위한 매체 접근 제어 방법이 제공된다.

상기 방법은, 데이터 프레임의 전송이 요구될 때 상기 송신 시스템이 상기 수신 시스템 사이의 채널을 예약하기 위하여 상기 옴니 안테나를 통해 미리 설정된 프레임을 전송하는 과정과, 상기 수신 시스템이 상기 설정된 프레임의 수신에 응답하여 응답 프레임을 상기 기지국으로 전송하는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 설정된 프레임을 전송한 후 미리 설정된 제1 시간이 경과하였을 때 수신을 위해 상기 어레이 안테나를 기동시키는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 응답 프레임을 수신하고 상기 수신 시스템의 위치 정보를 구하는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 제1 시간 후 미리 설정된 제2 시간이 경과하였을 때 송신을 위해 상기 어레이 안테나를 상기 수신 시스템의 위치 방향으로 기동시키는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 데이터 프레임을 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 제3 견지(aspect)에 따르면, 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템과 상기 수신 시스템 간의 무선 통신을 위한 매체 접근 제어 방법이 제공된다.

상기 방법은, 상기 수신 시스템으로부터의 초기 가입 또는 재가입을 요청하는 프레임을 수신하여 공간 처리함으로써 상기 수신 시스템의 위치 정보를 구하고, 가입 이후 상기 수신 시스템으로부터의 전송 프레임의 수신에 응답하여 공간 처리함으로써 상기 수신 시스템의 위치 정보를 갱신하는 과정과, 데이터 프레임의 전송이 요구될 때 상기 송신 시스템이 상기 수신 시스템 사이의 채널을 예약하기 위하여 상기 옴니 안테나를 통해 미리 설정된 프레임을 전송하는 과정과, 상기 수신 시스템이 상기 설정된 프레임의 수신에 응답하여 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 설정된 프레임을 전송한 후 미리 설정된 제1 시간이 경과하였을 때 수신을 위해 상기 어레이 안테나를 기동시키는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 응답 프레임을 수신하는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 제1 시간 후 미리 설정된 제2 시간이 경과하였을 때 송신을 위해 상기 어레이 안테나를 상기 수신 시스템의 위치 방향으로 기동시키는 과정과, 상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 데이터 프레임을 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 제4 견지(aspect)에 따르면, 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하는 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템에서 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 방법이 제안된다.

상기 방법은, 상기 어레이 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하는 과정과, 상기 데이터 프레임 전송 후 미리 설정된 시간이 경과하였을 때 상기 수신 시스템 방향으로 빔 형성을 위해 상기 수신 시스템의 위치 정보를 이용하여 상기 어레이 안테나를 기동하는 과정과, 상기 전송된 데이터 프레임의 응답 프레임을 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 수신하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 제5 견지(aspect)에 따르면, 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하는 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템에서 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 방법이 제안된다.

상기 방법은, 상기 옴니 안테나를 기동하고 상기 기동된 상기 옴니 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 과정과, 상기 수신 시스템으로부터 신호가 수신되고 미리 설정된 시간 이후에 채널이 예약된 것으로 확인되었을 때 수신을 위해 상기 어레이 안테나를 기동하는 과정과, 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 수신되는 신호를 공간 처리하여 상기 수신 시스템의 위치 정보를 구하는 과정과, 상기 구해진 위치 정보를 이용하여 상기 수신 시스템 방향으로의 수 신 빔 성형을 위해 상기 어레이 안테나를 기동시키는 과정과, 상기 수신 빔 성형을 위해 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 제6 견지(aspect)에 따르면, 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하고, 안테나와, 무선주파수(RF) 처리 모듈과, 기저대역 처리부와, 매체접속제어(MAC) 모듈을 구비하는 수신 시스템을 포함하고, 상기 송신 시스템은 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 수신 시스템은 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하는 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임 전송 이후 미리 설정된 시간 구간내에서 상기 응답 프레임을 수신할 수 있도록 하기 위한 상기 수신 시스템에서의 처리 방법이 제안된다.

상기 방법은, 상기 시간 구간을, 수신 프레임의 마지막 비트가 상기 안테나로부터 상기 RF 처리 모듈을 거쳐 상기 기저대역 처리부까지 도달하는 데 걸리는 시간을 나타내는 제1 구간과, 상기 마지막 비트가 상기 기저대역 처리부를 거쳐 상기 MAC 모듈까지 전달되는 데 소요되는 시간을 나타내는 제2 구간과, 상기 MAC 모듈이 상기 수신 프레임을 분석하여 상기 시간 구간 내에 응답을 해야 되는가를 판단하는데 필요한 시간을 나타내는 제3 구간으로 구분하는 과정과, 상기 제3 구간보다 앞선 시점에 상기 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 제7 견지(aspect)에 따르면, 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하고, 안테나와, 무선주파수(RF) 처리 모듈과, 기저대역 처리부와, 매체접속제어(MAC) 모듈을 구비하는 수신 시스템을 포함하고, 상기 송신 시스템은 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 수신 시스템은 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하는 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임 전송 이후 미리 설정된 시간 구간내에서 상기 응답 프레임을 수신할 수 있도록 하기 위한 상기 수신 시스템에서의 처리 방법이 제안된다.

상기 방법은, 상기 시간 구간을, 수신 프레임의 마지막 비트가 상기 안테나로부터 상기 RF 처리 모듈을 거쳐 상기 기저대역 처리부까지 도달하는 데 걸리는 시간을 나타내는 제1 구간과, 상기 마지막 비트가 상기 기저대역 처리부를 거쳐 상기 MAC 모듈까지 전달되는 데 소요되는 시간을 나타내는 제2 구간과, 상기 MAC 모듈이 상기 수신 프레임을 분석하여 상기 시간 구간 내에 응답을 해야 되는가를 판단하는데 필요한 시간을 나타내는 제3 구간으로 구분하는 과정과, 상기 제3 구간보다 앞선 시점에 CCA 검출을 위한 더미 RF 신호를 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정과, 상기 데이터 프레임이 수신된 이후 상기 시간 구간이 경과한 시점에 상기 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 내용은 당해 분야 통상의 지식을 가진 자는 후술되는 본 발명의 구체적인 설명으로 보다 잘 이해할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 특징들 및 기술적인 장점들을 다소 넓게 약술한 것이다.

본 발명의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징들 및 장점 들이 후술될 것이다. 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 동일한 목적들을 달성하기 위하여 다른 구조들을 변경하거나 설계하는 기초로서 발명의 개시된 개념 및 구체적인 실시예가 용이하게 사용될 수도 있다는 사실을 인식하여야 한다. 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한 발명과 균등한 구조들이 본 발명의 가장 넓은 형태의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 사실을 인식하여야 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

A. 발명의 개관

본 발명은 스마트 어레이 안테나를 사용하는 무선 통신시스템을 위한 적응 매체 접속 제어 (Adaptive Medium Access Control) 방식에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 반송파 감지 매체 제어(CSMA: Carrier Sense Multiple Access) 방식을 사용 하는 무선 LAN(Local Area Network), MAN(Metropolitan Area Network) 및 WAN(Wide Area Network) 등에 적용 가능하다. 하기에서는 이와 같이 스마트 어레이 안테나(또는 스마트 안테나 또는 어레이 안테나)를 사용하는 무선 통신시스템이 "스마트 시스템" 혹은 "스마트 무선 통신시스템 "이라 명명될 것이다. 또한 CSMA 방식을 사용하는 시스템은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 프로토콜에 따라 무선 매체를 공유하여 통신하는 시스템으로 하기에서는 "CSMA 시스템 "혹은 "CSMA/CA 시스템 "이라 명명될 것이다. 일 예로서, 본 발명에서는 IEEE 802.11 표준에 따른 시스템에 스마트 안테나 기술을 적용하는 방식이 제안될 것이다. 상기 IEEE 802.11 표준에 따른 시스템은 CSMA/CA 방식으로 무선 매체를 공유하여 통신한다. 본 발명은 이러한 IEEE 802.11 시스템과 호환(backward compatability)이 가능하고 현재 사용되고 있는 무선 LAN 칩을 그대로 활용할 수 있도록 하는 스마트 무선 LAN 시스템의 설계 제작을 타켓으로 한다.

본 출원의 발명자들은 앞서 언급한 스마트 안테나 기술을 IEEE 802.11 표준에 적용하기 위해서는 아래에서 설명될 몇 가지 문제점들을 극복할 필요가 있다는 사실에 주목하였다.

IEEE 802.11에서 규정된 무선 LAN 프로토콜에 따르면, 무선 LAN에서의 기본 단위망인 소위 BSS(Basic Service Set) 내의 모든 단말들에게 전파 신호가 방송(브로드캐스트)(Broadcast)되고 이 전파 신호를 모든 단말들이 들을 수 있다는 가정하 에 무선 LAN 시스템이 설계된다. 그러나 스마트 안테나를 사용하는 통신시스템을 가정하면, 도 9와 같이 같이 빔성형 영역 밖의 단말들 A, B, C는 전파를 수신하지 못하므로, 이 단말들은 소위 "Hidden Node "가 된다. 이 Hidden Node들은 채널을 아이들(idle)이라고 판단하므로, 시스템의 송신기(T)와 수신기(R)가 빔성형에 의해 통신을 하고 있는 도중에도 상기 Hidden Node들이 데이터를 전송함에 따라 충돌이 야기될 수 있는 문제점이 있다.

또한, 스마트 안테나를 사용하는 경우 비콘(Beacon)과 같은 관리 프레임이나 멀티캐스트/브로드캐스트 프레임 전달에 문제가 발생할 수 있다. 즉, 무선 LAN의 BSS 구성을 위해 기지국(AP: Access Point)은 주기적으로 비콘(Beacon) 프레임을 방송하고, 단말(STA: Station)는 상기 비콘 프레임의 수신에 응답하여 TSF(Timing Synchronization Function) 시간을 동기화하고 통신망의 능력 변화 혹은 전달받을 트래픽의 유무를 감지할 수 있어야 한다. 그런데, 상기 비콘 프레임이 제대로 단말에 전달되지 않는다면 상기 동작이 불가능하다. 상기 비콘 프레임 이외에도 브로드캐스트(Broadcast) 혹은 멀티캐스트(Multicast) 프레임은 인터넷프로토콜(IP: Internet Protocol) 통신을 위해 필수적인 ARP(Address Resolution Protocol), 호스트 디스커버리(Host discovery) 혹은 브리지(Bridge) 프로토콜과 같은 네트워킹 서비스와 MBONE과 같은 멀티캐스트 통신 세션(session)을 위해서 반드시 전달 가능하여야 한다.

그리고 또한 무선 LAN 시스템은 AP의 위치 선정에 대해 특별히 신경을 쓰지 않더라도 쉽게 망을 구성해서 사용할 수 있도록 설계되어야 한다. 즉 STA가 전파가 도달 가능한 임의의 위치에 있더라도 쉽게 가입할 수 있도록 해 주어야 한다.

따라서, 제1 견지(aspect)에 따른 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하면서도 스마트 안테나 기술을 IEEE 802.11 무선 LAN 시스템에 적용하더라도 스마트 안테나 기술의 장점이 최대한 드러나도록 하기 위해, Omni 지향성 안테나와 빔성형 지향성 안테나를 적절히 조합하여 통신하는 적응 매체 제어(MAC: Medium Access Control) 방식을 제안한다. 이러한 본 발명에 의해 제시된 MAC 제어 방식은 프레임 내용에 변경없이 IEEE 802.11 표준을 따르면서도 고속으로 서비스할 수 있는 영역을 넓게 확장할 수 있다.

한편, 스마트 안테나를 사용하는 AP(Smart Wireless AP: 이하 "SWAP "라 칭함) 또는 STA는 빔성형 안테나를 사용하기 때문에 Omni 안테나를 사용하는 경우에 비해서 같은 전송 속도로 더 먼 거리까지 데이터를 보냄은 물론 보다 먼 거리에서부터 송신된 신호를 수신할 수도 있다. 이러한 성능의 향상은 많은 장점이 있는 반면에, 같은 주파수 채널을 사용하는 다른 BSS(이하 "타 BSS " 라 칭함)에 영향을 주거나 타 BSS로부터 영향을 받기 쉽다는 단점이 생길 수 있다. 즉, SWAP이 데이터를 전송하는 경우에는 빔이 집중(focusing)되는 방향에 놓인 타 BSS의 단말들이 CSMA/CA의 기본 기능에 따라 무선 매체(Wireless Medium: WM)를 엑세스할 수 없고, 타 BSS의 단말들이 데이터를 전송하는 경우에는 SWAP이 이를 감지하여 WM으로 데이터를 보낼 수 없다는 문제점이 있다.

따라서, 제2 견지에 따른 본 발명은 신호 전송 시 타 BSS에 미치는 영향을 최소화하는 방법과, 신호 수신시 타 BSS에 의해 받는 영향을 최소화하는 두 가지 방식들을 제안한다.

다른 한편, 스마트 안테나 기술을 IEEE 802.11 시스템에 적용할 경우 전파 지연(Propagation Delay)의 영향으로 인해 서비스 가능 지역이 제한을 받게 된다. 즉 현재 널리 보급되고 있는 IEEE 802.11규격은 LAN에 한정된 것으로써 최대 통신 거리가 구체적으로 명시되어 있지는 않으나, 전파 지연의 최대 값이 1 마이크로초(㎲)를 넘지 못하게 되어 있어 결과적으로 최대 통신 거리가 300미터 이내로 한정된다. 이는 무선(RF: Radio Frequency) 신호를 충분히 멀리 도달하게 한다 해도 MAC 프로토콜의 한계로 인하여 통신이 일정 거리 이내로 제한됨을 의미한다.

따라서, 제3 견지에 따른 본 발명은 이미 상용화된 IEEE 802.11 시스템에서 기지국인 AP에만 스마트 안테나 기술을 적용하여 통신 거리 제한을 극복하기 위한 방식들을 제안한다.

전술한 바와 같은 내용들을 정리해보면 본 발명은 다음과 같이 크게 3가지의 견지에서의 실시예들을 제안한다.

첫째, 본 발명은 빔성형을 사용하는 스마트 무선 통신시스템에서 발생하는 문제를 해결하면서 고속으로 서비스할 수 있는 영역을 확대하기 위한 매체 접속 제어 방법을 제안한다.

둘째, 스마트 무선 통신시스템에서는 빔 성형 서비스 영역 내에서 동일한 주 파수 채널을 사용하는 타 BSS에 영향을 주거나 타 BSS로부터 영향을 받기 쉽다는 문제점이 있으므로, 본 발명에서는 스마트 안테나 전송 시 타 BSS에 미치는 영향을 최소화하는 방법과 수신 시 타 BSS에 의해 받는 영향을 최소화하는 방법을 제안한다.

셋째, 스마트 안테나 기술을 현재 널리 보급되고 있는 IEEE 802.11 규격에 따른 CSMA/CA 시스템에 적용할 경우 RF 신호를 충분히 멀리 도달하게 한다 해도 전파 지연의 영향으로 인한 MAC 프로토콜의 한계 때문에 통신이 일정 거리 이내로 제한된다는 문제점이 있으므로, 본 발명에서는 이미 상용화된 IEEE 802.11 무선 LAN 네트워크에서 기지국인 AP를 스마트 무선 기능을 갖는 스마트 Wireless AP (SWAP)으로 대체하여 통신 거리 제한의 문제점을 극복하기 위한 방법을 제안한다.

상기 1을 참조하면, 본 발명이 적용되는 무선 통신시스템은 기지국(AP: Access Point) 101과, 복수의 단말(STA: Station)들 102로 구성되는 무선 LAN의 망 구성을 보여준다. AP 101은 무선 통신망을 구성하는데 있어 중심 역할을 하는 것으로 유무선망을 연동시켜 주는 기능을 가지며, STA 102는 AP 101에 접속되는 무선 통신 단말로써 통신 서비스의 대상이 된다. 즉, 상기 AP 101은 BSS(Basic Service Set) 내의 무선 STA 102가 내부 또는 외부 망의 단말과 데이터를 주고받을 수 있도 록 해 주는 무선 허브 역할을 하는 것이다. 상기 AP 101은 기존의 무선 LAN의 기지국과 달리 다수의 어레이 안테나 103을 포함하는 것을 특징으로 한다. 그러므로 하기에서는 상기 AP 101을 기존의 무선 LAN을 구성하던 AP와 달리 "SWAP(Smart Wireless Access Point)"라고 명명할 것이다. 참조부호 104는 Omni 안테나에 의한 저속 전송률 서비스의 반경을 나타내고, 참조부호 105는 빔성형 안테나에 의한 고속 전송률 서비스의 반경을 나타낸다.

상기 어레이 안테나는 기존의 무선 LAN에서 사용되던 옴니(Omni) 안테나와 병존하여 사용되는 안테나로, 본 발명의 제안과 같이 스마트 안테나 기술에 따른 빔성형을 위한 안테나를 의미한다. 상기 어레이 안테나는 상기 AP 101 뿐만 아니라 STA 102의 내부에도 구비될 수 있으나, 여기서는 상기 AP 101만이 어레이 안테나를 포함하는 것으로 도시하고 있음에 유의하여야 한다. 즉, 일반적인 무선 LAN 시스템은 Omni 안테나만을 사용하는데 반해 본 발명의 실시예에 따른 스마트 무선 통신시스템은 Omni 안테나 뿐만 아니라 빔성형 안테나를 포함하는 M개의 어레이 안테나를 구비한다. 이러한 어레이 안테나의 적절한 설정에 따라 특정 방향으로 빔성형을 하여 지향성(directional) 송수신 특성을 얻을 수 있다.

상기 무선 LAN은 Infra-structure 모드로 구성되거나 혹은 Ad-Hoc 모드로 구성될 수 있다. Infra-structure 모드는 상기 무선 LAN이 하나의 AP 101과 복수의 STA들 102로 구성되는 경우를 의미한다. 이러한 단위 망은 BSS(Basic Service Set)라 불리운다. Ad-Hoc 모드는 AP 101 없이 각각의 단말간에 peer-to-peer 통신이 수행되는 경우를 의미한다. 이때의 단위 망은 IBSS(Independent Basic Service Set) 라 불리운다. 후술되는 본 발명은 상기 두 모드 모두에 대해서 1) 스마트 안테나를 사용하는 시스템들간 혹은 2) 스마트 안테나를 사용하는 시스템과 기존의 스마트 안테나를 사용하지 않는 시스템간에 모두 적용 가능한 매체 접속 제어 방법과 거리 극복 방법을 제시한 것이다.

Omni 안테나는 전방향에 걸쳐 전파 송수신이 가능하고 자연스럽게 프레임을 브로드캐스팅 할 수 있으나 고속 서비스가 좁은 지역에서만 이루어지는 단점이 있다. 이에 반해 스마트 무선 안테나 시스템은 빔성형에 의해 특정 방향에만 한정적으로 전파를 송수신할 수 있으므로 고속으로 먼 거리까지 통신할 수 있으나 이미 언급한 바와 같이 CSMA/CA를 사용하는 통신망에서 여러 가지 문제를 야기할 수 있다. 따라서 스마트 무선 통신시스템에서는 상황에 따라 Omni 안테나와 빔성형 안테나가 적절히 사용될 수 있도록 제어하는 것이 관건이다.

스마트 안테나 기술은 AP 및 STA 모두에 적용 가능하므로 네트워크의 구성은 하기의 <표 1>과 같이 4가지로 구분 가능하다. 여기서 AP 및 STA에서 모두 스마트 안테나를 사용하지 않는 경우를 제외하면 나머지 3가지 구성 형태와 같이 스마트 무선 통신 네트워크를 구성하는 것을 고려할 수 있다. 이 중 가장 현실적이면서 우선적으로 고려하여야 할 것이 AP는 스마트 무선 통신 기능을 갖는 시스템으로 하고 STA는 스마트무선 통신 기능이 없는 일반 무선 LAN 단말로 구성하는 경우이다. 이는 AP만을 업그레이드하고 STA는 이미 설치되어 있거나 저가로 손쉽게 구할 수 있는 일반 무선 LAN 카드를 사용할 수 있도록 하는 것으로, 네트워크의 진화 관점에서도 이음새 없이(Seamless) 자연스러운 방안이다.

System	STA without 스마트 RF	STA with 스마트 RF
AP without 스마트 RF	AP 및 STA 모두 스마트 WLAN 기능이 없는 구성	AP는 스마트 WLAN 기능이 없고, STA는 스마트 WLAN 기능이 있는 구성
AP with 스마트 RF	AP는 스마트 WLAN 기능이 있고, STA는 스마트 WLAN 기능이 없는 구성	AP와 STA 모두 스마트 WLAN 기능이 있는 구성

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 무선 통신시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 이러한 구성은 도 1에 도시된 SWAP 101 혹은 STA 102의 구성이 될 수 있다. 만약, 상기 <표 1>에 나타낸 바와 같이 AP만이 스마트 WLAN 기능을 갖는다면, 상기 도 2는 도 1에 도시된 SWAP 101의 구성이 된다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 스마트 무선 통신시스템은 복수의 어레이 안테나(M-array Antenna) 201과, RF 송수신기(Transceiver) 202와, 공간처리기(Spatial Processor)/기저대역처리부(BBP: Baseband Processor) 203과, MAC 부가부(MAU: MAC Attachment Unit) 204와, MAC 처리/관리부 (MAC/MLME) 205와, 호스트인터페이스(HIF: Host Interface) 206을 포함한다. 상기 구성요소들중에서 어레이 안테나 201과, RF 송수신기 202와, 공간처리기/BBP 203은 물리(PHY: Physical) 계층에 해당하고, MAU 204와 MAC/MLME 205는 MAC 계층에 해당한다. 상기 공간처리기는 위치 추정 처리를 담당한다. 상기 기저대역 처리부는 변복조 기능을 수행한다. 상기 MAC 204는 MAC의 기능 중 Time critical한 부분의 처리 및 BBP와의 인터페이스를 담당한다. 상기 MAC 처리/관리부 205의 MAC 모듈은 MAC 프레임 생성 및 분석을 담당하고, MLME(MAC Layer Management Entity) 블록은 MAC 관련 관리 정 보(MIB: Management Information Base)를 처리한다. 상기 호스트인터페이스 206은 컴퓨터와 같은 호스트 본체와의 연결을 위한 것이다. 캐쉬 메모리(cache memory) 208은 상기 공간 처리기에 의해 계산된 위치 정보를 임시적으로 저장하기 위한 위치(Vector) 메모리로써, MAU 204의 내부에 포함된다. 테이블 메모리 207은 STA가 AP에 가입시나 데이터 송수신 중에 파악된 위치 정보와 거리 정보를 저장하기 위한 가입(association) 및 위치(vector) 테이블 메모리로써, MAC/MLME 205의 내부에 포함된다.

상기한 바와 같은 스마트 무선 통신시스템은 초기 전원 인가시나 리셋(RESET)시에 시스템 하드웨어(Hardware) 및 소프트웨어(Software) 모듈을 초기화한 후 프로토콜 규정에 따라 운용 파라미터를 설정하게 된다. 만약 스마트 무선 통신시스템이 AP라면 운용할 BSS에서 사용할 기본 전송률 집합(Basic Rate Set)과 운용 전송률 집합(Operational Rate Set)을 정하게 된다. 이때 AP 시스템은 BSS 운용 지역을 넓게 잡기 위해 가장 도달 거리가 길게 나올 수 있는 저속 전송률을 기본 전송률 집합으로 정한다. 예를 들면, IEEE 802.11g 시스템인 경우 규정되어 있는 전송률이 1, 2, 5.5, 9, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48, 54 Mbps이 있는데, 기본 전송률 집합을 {1, 2 Mbps}로 하고 운용 전송률 집합을 {1, 2, 5.5, 9, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48, 54 Mbps}로 설정할 수 있다. 이렇게 할 경우 스마트 무선 통신시스템은 1Mbps 서비스 가능 지역으로 BSS를 구성하고 이 지역 내에서 빔 성형에 의해 최대 54 Mbps로 전송이 가능하게 된다.

도 3은 일반적인 무선 LAN 통신시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 이러한 구성은 도 1에 도시된 SWAP 101 혹은 STA 102의 구성이 될 수 있다. 만약, 상기 <표 1>에 나타낸 바와 같이 AP만이 스마트 WLAN 기능을 갖고 AP 101과 STA 102가 서로 통신한다고 가정하면, 상기 도 2는 도 1에 도시된 STA 102의 구성이 된다. 이러한 구성은 IEEE 802.11 규격에 따른 것이다.

상기 도 3을 참조하면, 안테나 301과, RF 송수신기(transceiver) 302와, 기저대역 처리부(baseband processor) 303과, 마이크로프로세서(Micro Processor) 304와, 네트워크 인터페이스(Network Interface) 305와, 데이터 저장(Data Storage) 메모리 306과, 프로그램 저장(Program Storage) 메모리 307을 포함한다. 상기 네트워크 인터페이스 305는 유선 또는 컴퓨터 본체와 연결된다. 상기 메모리 307은 프로그램을 저장하기 위한 메모리이고, 상기 메모리 306은 데이터를 저장하기 위한 메모리이다. 상기 마이크로프로세서 304는 상기 메모리 307에 저장된 프로그램을 수행하여 무선 LAN 통신시스템의 전반적인 동작을 제어한다. 상기 기저대역 처리부 303은 송수신 신호의 변복조 등을 처리한다. 상기 구성요소들중 기저대역 처리부 303과, RF 송수신기 302와, 안테나 301은 PHY 계층에 해당한다. 마이크로프로세서 304와 메모리들 306,307은 IEEE 802.11 MAC 프로토콜을 소프트웨어(software)적으로 수행되도록 하기 위한 구성요소들이다. 이 마이크로프로세서 304와 메모리들 306,307을 별도로 사용하지 않고 전용 ASIC 칩을 사용하여 하드웨어(hardware)적으로 구현도 가능하다.

이하 본 발명의 실시예들이 구체적으로 설명될 것이다.

먼저, 스마트 무선 통신시스템에서 발생하는 문제를 해결하면서 고속으로 서비스할 수 있는 영역을 확대하기 위한 매체 접속 제어 방법이 설명될 것이다.

다음에, 스마트 무선 통신시스템에서 스마트 안테나 전송 시 타 BSS에 미치는 영향을 최소화하는 방법과 수신 시 타 BSS에 의해 받는 영향을 최소화하는 방법이 설명될 것이다.

그 다음에, 본 발명에서는 이미 상용화된 IEEE 802.11 무선 LAN 네트워크에서 기지국인 AP를 스마트 무선 기능을 갖는 스마트 Wireless AP (SWAP)으로 대체하여 통신 거리 제한의 문제점을 극복하기 위한 방법이 설명될 것이다.

B. Omni 안테나와 스마트 어레이 안테나를 조합한 적응 매체 접속 제어 방법

본 발명에서는 CSMA/CA를 기반으로 하되 다음과 같이 Omni 안테나와 스마트 어레이 안테나를 상황에 따라 선택적으로 사용하여 무선 매체에 접속한다. 이러한 방식에 따른 무선 매체 접속 동작의 전체적인 동작 흐름이 도 12에 도시되어 있다.

상기 도 12를 참조하면, 본 발명이 적용되는 송신 시스템에서 송신할 프레임이 생성되면(1201단계), CSMA/CA 프로토콜에 따라 우선 무선 채널이 유휴(idle) 상태인지, 즉 채널 송신이 가능한지를 확인하여 전송을 결정한다(1202단계). 채널의 상태가 유휴 상태가 아니면 임의의 시간만큼 백오프(Backoff)한 후(1203단계) 다시 1202단계로 진행하여 채널의 유휴 상태 유무를 판단한다. 채널의 상태가 유휴 상태이면 전송을 시작하고 유휴 상태가 아니면 다시 백오프를 하여 다음에 다시 앞의 과정을 반복한다.

실제 채널 송신 전에 송신 프레임의 유형이 데이터(Data Type)가 아니거나(1204단계 NO) Address 1 (RA: Receiver Address)이 유니캐스트(Unicast)가 아니면(1221단계 NO), 물리계층(PHY: Physical layer)의 유형, 즉 모뎀의 유형에 따라 전송률을 설정한다. 상기 물리계층의 유형이 IEEE 802.11b/11g인 경우에는 전송률을 1 혹은 2Mbps로 설정하고(1206단계), IEEE 802.11a인 경우에는 전송률을 6, 12 혹은 24Mbps로 설정한다(1207단계).

만일 송신 프레임의 유형이 데이터(Data Type)가 아니거나(1204단계 NO) Address 1 (RA: Receiver Address)이 유니캐스트가 아니면(1221단계 NO), 옴니 안테나를 기동하여(1208단계) 위에서 결정한 전송률로 프레임을 송신한다(1209단계). 전송의 성공 유무는 수신 시스템으로부터 정해진 시간이내에 확인(ACK: Acknowledge) 패킷이 왔는지를 보고 결정한다(1210단계). 송신 시스템이 ACK 패킷을 정상적으로 수신하면(1210단계), 프레임 전송이 성공적으로 이루어진 것으로 판단하고 전송 과정을 마친다. 그렇지 않은 경우는 재전송을 시도한다(1211단계).

만일 송신 프레임의 유형이 데이터이고(1204단계 YES) Address 1 (RA: Receiver Address)이 유니캐스트이면(1221단계 YES), 수신 시스템의 위치 정보를 알고 있는지의 유무에 따라 도 12의 B-1 절차(1223단계~1226단계) 혹은 B-2 절차(1230단계~1233단계)에 따라 프레임을 전송한다. B-1 및 B-2 절차는 각각 하기 의 B-1 및 B-2 절에서 상세히 설명될 것이다.

수신 시스템의 위치를 모를 경우(1222단계 NO)에는 데이터 프레임 전송 전에 Hidden Node 문제를 해결하기 위해 RTS(Request to Send)/CTS(Clear to Send) 교환(handshake)(1223단계~1227단계)을 통해 채널의 사용을 다른 시스템에 알리면서 CTS 프레임 수신 시(1227단계 YES)에 공간 처리에 의해 수신 시스템의 위치를 파악하여 송신 빔성형에 사용한다(1229단계, 1235단계). B-1 절차 및 B-2 절차에 의해 데이터 프레임을 전송할 때 운용 전송률(Operational date set) 중 고속 전송률을 선택하여 스마트 안테나에 의해 송신 빔을 형성한 후 송신한다(1236단계~1240단계).

수신 시스템의 위치를 알고 있는 경우(1222단계 YES)는 상기한 Hidden Node 문제를 해결하기 위해 CTS를 우선 전송한 후(1230단계) 스마트 안테나에 의해 송신 빔을 형성한 후 데이터 프레임을 전송한다(1236단계~1240단계).

상기 도 12에서와 같이 본 발명의 스마트 무선 시스템은 전송할 프레임이 RTS(Request To Send), CTS(Clear To Send) 및 ACK(Acknowledge)와 같은 제어 프레임이나, 비콘(Beacon), 인증(Authenntication), 가입(Association), 재가입(Re-association) 등과 같은 관리 프레임, 그리고 멀티캐스트/브로드캐스트(Multicast/Broadcast) 데이터 프레임에 대해서는 Omni 안테나를 사용하여 전송한다. 반면에 유니캐스트(Unicast) 데이터 프레임의 전송에는 빔성형 안테나를 사용한다. 빔성형 전송 방법은 수신 시스템의 위치 정보를 사전에 파악하고 있는 것을 전제로 하는 것인 지에 따라 상기 도 9의 B-1 절차로 도시된 방법과 B-2 절차로 도시된 방법으로 구분된다. 상기 B-1 절차와 B-2 절차에 대해서는 하기에서 설명되어 있다. 대비적으로, 스마트 WLAN 기능을 갖지 않는 일반 무선 시스템은 모든 프레임에 대해 Omni 안테나를 사용하여 전송하게 된다.

도 4는 IEEE 802.11 규격에 따라 무선 매체를 통해 전송되는 프레임의 구조를 보여주는 도면이다. 상기 전송 프레임은 프리앰블(Preamble)과, PLCP 헤더(Header)와, MAC 헤더와, 페이로드(Payload)와, 오류정정을 위한 부가정보로서의 CRC(Cyclic Redundancy Code)로 이루어진다. 상기 MAC 헤더는 MAC 계층에서 생성되며, 프리앰블과 PLCP 헤더는 PHY 계층에서 생성된다.

도 5는 IEEE 802.11 규격에 따른 MAC 프레임의 구조를 보여주는 도면으로, 상기 도 4의 MAC 헤더의 구체적인 구조를 나타낸다. 상기 MAC 프레임은 프레임 제어(Frame Control) 필드와, 듀레이션 식별자(Duration ID(identifier)) 필드와, 주소(Addr 1, Addr 2, Addr 3, Addr 4) 필드들과, 시퀀스 제어(Sequence Control) 필드와, 프레임(Frame Body) 필드와, CRC 필드로 이루어진다. 상기 프레임 제어(Frame Control) 필드(51)의 내용을 확인함으로써 전송되는 프레임의 유형의 구분이 가능하다. 주소(Addr 1) 필드(52)의 내용을 확인함으로써 데이터 프레임이 유니캐스트(Unicast)인지 혹은 멀티캐스트/브로드캐스트(Multicast/Broadcast)인지 여부에 대한 확인이 가능하다. 상기 주소(Addr 1) 필드(52)의 첫 바이트의 LSB(Least Significant Bit)가 '0'이면 유니캐스트 프레임이고, '10'이면 멀티캐스트 프레임이고, 모든 비트들이 '1'이면 브로드캐스트 프레임임을 나타낸다. 따라서 위에서 언급한 바와 같이 프레임 유형 및 주소 유형의 구분이 가능하고 이에 따른 매체 접속 제어가 가능한 것이다.

도 6은 IEEE 802.11 규격에 따른 프레임 제어 필드의 구조를 보여주는 도면으로, 상기 도 5에 도시된 프레임 제어 필드(51)의 구체적인 구조를 나타낸다. 상기 프레임 제어 필드는 프로토콜 버전(Protocol Version) 필드와, 유형(Type) 필드와, 서브유형(Sub Type) 필드를 포함한다.

도 7은 IEEE 802.11 규격에 따른 프레임 제어 필드의 비트값에 따른 프레임 유형의 구분이 가능함을 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이 유형 필드의 값에 따라 프레임이 관리(Management) 프레임인지 제어(Control) 프레임인지 데이터(Data) 프레임인지의 구분이 가능하다. 또한 서브유형의 값에 따라 각 프레임의 구체적인 구분이 가능하다.

B-1. Omni 안테나를 통해 RTS/CTS 교환 후 빔성형 안테나를 통해 데이터 전송

본 실시예는 데이터 전송 전에 Omni 안테나를 통해 채널의 점유 상황을 미리 알림으로써 Hidden Node 문제를 해결하면서 빔성형에 의한 고속 데이터 전송이 가능하도록 한다. 특히 이 실시예는 전력 소모 절약을 위해 빔성형 처리를 위한 어레이 안테나를 적시에만 기동시키고 그 이외의 경우에는 Omni 안테나만을 기동시키도록 한다. 여기서, BSS 구성을 위해 설정된 기본 전송률 집합은 {1, 2 Mbps}, 운용 전송률 집합은 {1, 2, 5.5, 6, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps}로 가정한다.

전송할 데이터 프레임이 발생하면 도 10의 송신기(T)는 우선 CSMA/CA 프로토콜에 따라 무선 매체(WM: Wireless Medium)가 점유되어 있는가를 확인한다. 채널이 아이들(idle)인 것으로 확인되면, 상기 송신기는 충돌을 피하기 위해 미리 설정된 시간만큼 대기(random backoff)한 후에 다시 채널의 상태를 확인한다. 다시 채널의 상태가 아이들인 것으로 확인된 경우에 다음과 같이 신호가 송수신된다.

하기에서 설명될 동작을 위해 참조되는 도면들은 다음과 같다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 송신기와 수신기가 Omni 안테나를 통해 RTS/CTS 프레임을 교환(handshake)하는 동작을 보여주는 도면이다. 여기서 그리고 하기에서 송신기와 수신기는 무선으로 통신하는 2개의 시스템을 의미한다. 즉, 기지국이 데이터를 전송하는 측이라면 이 기지국이 송신기(또는 송신 시스템)가 될 것이고, 이 기지국과 무선 통신하는 단말이 수신기(또는 수신 시스템)가 될 것이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적응 매체 접속 제어 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면으로, Omni 안테나와 스마트 안테나를 조합하여 사용하는 경우에 해당한다.

1) 도 10의 송신기(T: Transmitter) 또는 송신 시스템은 데이터 프레임을 전송하기 전에 RTS(Request To Send) 프레임을 기본 전송률(Basic rate)(예: [1]2 Mbps)로 Omni 안테나를 통해 전송한다(도 13 참조). 이 RTS 프레임 전송을 통해 BSS 내의 모든 시스템들에는 NAV (Network Allocation Vector) 값이 설정되고, 이에 따라 CTS(Clear To Send) 프레임, 데이터 프레임 및 ACK(Acknowledgement) 프레임 전송 완료 시점까지 채널은 비지(Busy) 상태로 설정된다.

2) RTS 프레임을 수신한 수신기(R: Receiver) 또는 수신 시스템은 도 5의 MAC 프레임중 Addr 1 필드, 즉 수신기 주소(RA: Receiver Address)가 자신의 주소로 되어있는 경우 이에 대한 응답으로 CTS(Clear To Send) 프레임을 송신기에 전송한다(도 13 참조). RTS 프레임과 마찬가지로 CTS 프레임 전송을 통해 BSS 내의 모든 시스템들에는 NAV 값이 재설정된다. 이에 따라 데이터 프레임과 ACK 프레임 전 송 완료 시점까지 채널은 비지 상태로 설정된다. 상기 CTS 프레임 역시 Omni 안테나를 통해 전송한다. AP에서 RTS 혹은 CTS를 Omni 안테나를 통해 전송하게 되면 BSS 내의 송신 STA를 제외한 모든 STA가 NAV를 설정하게 되므로, 설령 RTS를 수신하지 못해 NAV를 설정하지 못한 STA들도 빔성형에 의해 발생할 수 있는 Hidden Node 문제를 야기하지 않게 된다.

3) 송신기는 RTS 프레임을 전송한 후 SIFS 시간으로부터 (RFRxArrayRampOnTime) 시간 전, 즉 전송 후 [SIFS - RFRxArrayRampOnTime] 시점에 도 2의 수신 어레이 안테나 201을 기동시킨다(도 14 참조). 여기서, RFRxArrayRampOnTime은 수신 어레이 안테나를 기동하는데 소요되는 시간이다. 즉, 상기 송신기는 SIFS 이후에 도착하는 신호에 대해 공간 처리기 203에 의해 공간 처리(Spatial Processing)를 행하여 수신기의 방향을 파악하고 송신 빔성형 패턴을 준비한다. 이와 같이 송신기는 RTS 프레임이 전송이 완료된 다음 [SIFS - RFArrayRampOnTime] 시간 이후에 어레이 안테나 201을 기동함으로써 SIFS 이전에 발생할 수 있는 임의의 간섭 신호를 수신 신호로 인지하여 오동작하는 것을 방지할 수 있고, 또한 적시에만 어레이 안테나를 기동시킴으로써 전력 소모를 최소화할 수[도] 있다.

4) 송신기는 RxSpatialProcTime 시점에 파악한 수신기의 위치 벡터 정보를 벡터 캐쉬 메모리 208에 저장한다. 여기서, RxSpatialProcTime은 수신된 신호에 대해 공간 처리기 203에 의해 공간 처리를 행한 후 수신기의 방향을 계산해내는데 소요되는 시간이다. 이때 얻어진 위치 벡터(Vector) 정보는 데이터 프레임 전송 시 송신 빔성형을 위해서 뿐만 아니라 ACK 프레임 수신을 위한 수신 빔성형 정보로도 사용된다.

5) 송신기는 CTS 프레임의 수신이 확인되면 상기 CTS 프레임의 수신 종료 시점부터 [SIFS - RFTxArrayRampOnTime - TxBeamFormProcTime] 시점에 송신 어레이 안테나 201을 기동시키고 송신 빔성형을 준비한다(도 15 참조). 여기서, RFTxArrayRampOnTime 시간은 송신 어레이 안테나를 기동하는데 소요되는 시간이고, TxBeamFormProcTime은 위치 벡터 정보 인가 후 송신 빔이 형성되는데 소요되는 시간이다. 송신 빔성형 후 상기 송신기는 전송 가능한 고속 전송률(예: 54Mbps)로 데이터 프레임을 전송한다. 이때 상기 송신기는 CTS 프레임 수신을 통해 파악한 방향으로 송신 빔성형 패턴을 형성한다. 데이터 프레임의 전송이 완료된 직후 상기 송신기는 송신 어레이 안테나의 전원을 차단한다.

상기의 방법으로 성능 개선 정도를 알아 보기 위해 SWAP 시스템이 원거리에 있는 수신기에 채널 예약 후 빔성형에 의해 고속 전송하는 것과 예약 없이 저속 분석하는 경우를 간단히 비교 분석해 보기로 한다. 수신기의 위치가 2Mbps 서비스가 가능한 영역에 있다고 가정하고 이 수신기로 송신할 데이터 프레임이 1500 바이트라고 하자. 또한 IEEE 802.11g 표준에 따라 시스템이 구성되었다고 가정하자. 상기 방법을 따르지 않는 경우는 2Mbps 전송률을 사용하면 데이터 전송을 완료되기까지 {Data → ACK} 순서(sequence)로 전송이 이루어지며 이에 소요되는 시간은 6066㎲가 된다. 반면 상기 방법에 따라 {RTS → CTS → Data → ACK} 순서로 전송한다. 이때 RTS/CTS는 2Mbps로 전송하고 Data 프레임을 54Mbps, ACK를 24Mbps로 전송을 하는 경우 총 398㎲가 소요된다. 따라서 동일 원격 약 15.2배의 성능 개선이 가능함을 알 수 있다.

6) 수신기는 수신된 데이터 프레임에 오류가 없는 경우 데이터 프레임 수신 완료 이후 SIFS 후에 ACK 프레임을 송신기로 전송한다(도 16 참조). 이때 ACK 프레임의 전송을 위해 사용되는 데이터 전송률은 표준 규격에 정의되어 있는 Multirate support 규정을 따른다. 상기 Multirate support 규정에 따르면, 수신한 프레임에 대한 ACK 프레임 응답 전송시에는 수신 데이터 프레임에 대해 사용된 변조 방식과 동일한 변조 방식(예: CCK(Complementary Code Keying), OFDM(Offset Frequency Division Multiplexing) 혹은 PBCC(Packet Binary Convolutional Code)을 사용하고, 전송률은 각 변조 방식에서 지원해야하는 필수 데이터 전송률(Mandatory rate)중 가장 높은 전송률을 사용하도록 되어 있다. 따라서 각 전송 변조 방식 및 전송률에 따라 달라지는 응답 프레임에 대한 수신 성능을 높이기 위해 수신 빔성형을 사용한다. 즉, ACK 프레임을 전송하기 위해 사용하는 변조 방식은 이전에 수신된 데이터 프레임과 동일한 방식이어야 하며, 사용하는 전송률은 사용한 변조 방식에서 필수 전송률로 규정한 것 중 가장 높은 것을 사용하도록 되어 있다. 예를 들어, 데이터 프레임을 OFDM 방식으로 54Mbps로 수신하였다면 이에 대한 ACK 프레임 전송은 OFDM 방식으로 24Mbps로 보내도록 되어있다. 따라서 스마트 무선 통신시스템의 송신기는 수신기가 Omni 안테나를 사용하여 전송하는 경우 수신 신호가 열화되는 것을 대비하여 빔성형을 통해 수신 감도를 높여 주어야 한다.

이를 위해 상기 송신기는 데이터 프레임 송신 완료 후 [SIFS - RFRxArrayRampOnTime - RxBeamFormProcTime] 시점에 수신 어레이 안테나 201을 기동하고, 수신기 방향으로 수신 빔을 형성하여 ACK 프레임을 받을 준비를 한다(도 16 참조). 특히 ACK 프레임을 적기에 받지 못하면 송신기는 전송 데이터가 분실되었거나 오류가 발생한 것으로 간주하고 재전송을 시도하게 되므로 처리율이 크게 떨어지게 될 것이다. 따라서 불필요한 재전송을 방지하고 성능을 향상시키기 위해 ACK 프레임을 빔성형을 통해 수신하는 것이다.

7) 송신기는 수신기로부터 ACK 프레임이 정상적으로 수신된 경우 데이터 프레임 송신 절차를 마친다. 상기 ACK 프레임이 ACK 타임아웃(Timeout) 기간 내에 수신되지 않은 경우에는 재전송 절차가 수행되게 된다.

전술한 바와 같은 방법은 스마트 안테나 시스템이 상대방의 위치를 사전에 파악하고 있지 않더라도 동작이 가능하므로 메모리 및 프로세싱 자원을 절약할 수 있는 장점이 있다. 또한 무선 단말이 BSS 내에서 위치를 변경하더라도 통신이 가능하므로 이동성 측면에서도 유리하다. 그리고, 수신 어레이 안테나를 항상 기동시키지 않아도 되므로 전력 소모가 크게 줄어드는 장점이 있다.

B-2. Omni 안테나를 통한 CTS 전송 및 빔성형 안테나를 통한 데이터 전송

본 실시예는 사전에 단말의 위치를 알고 있는 경우에는 데이터 전송 전에 RTS 프레임의 전송없이 Omni 안테나를 이용하여 CTS 프레임만을 전송하여 BSS 내의 다른 스테이션에 채널의 점유 상황을 알린 후 빔성형 안테나를 통해 고속 데이터 전송이 가능하도록 하는 방법이다.

이러한 본 실시예에서는 데이터 전송 전에 단말의 위치를 알고 있어야 하는데, 이를 위해 다음과 같은 방법이 사용된다. IEEE 802.11 규격에 따르는 경우, STA는 AP에 소속되기 위해서 가입(Association) 혹은 재가입(Re-association) 절차를 거치게 된다. 초기에 STA로부터의 가입요청(ASSOCIATION.REQUEST) 프레임이나 재가입요청(REASSOCIATION.REQUEST) 프레임이 수신되면, 도 2에 도시된 AP의 공간처리기 203은 수신 신호에 대한 위치 정보 벡터(Vector) 값을 읽어 내부 메모리 테이블에 저장한다. 상기 초기 절차 이후에 STA는 계속 이동할 수 있으므로, AP는 수신되는 매 프레임에 대해 공간처리기 203에 의해 계산된 위치 벡터 값으로 상기 저장된 위치 정보를 갱신함으로써 STA의 위치를 사전에 파악할 수 있게 된다.

전송할 데이터 프레임이 발생하면 도 10의 송신기(T)는 우선 CSMA/CA 프로토콜에 따라 무선 매체(WM: Wireless Medium)가 점유되어 있는가를 확인한다. 채널이 아이들인 것으로 확인되면, 상기 송신기는 충돌을 피하기 위해 미리 설정된 시간만큼 대기(random backoff)한 후에 다시 채널의 상태를 확인한다. 다시 채널의 상태가 아이들인 것으로 확인된 경우에 다음과 같이 신호가 송수신된다.

1) 도 10의 송신기는 전송할 데이터가 발생한 경우 데이터 프레임을 전송하기 전에 CTS (Clear To Send) 프레임을 기본 전송률 집합(Basic rate set)중 가장 낮은 전송률로 Omni 안테나를 통해 전송한다(도 17 참조). 이때 상기 송신기는 CTS 프레임의 수신기 주소(RA: Receiver Address), 즉 도 5의 MAC 프레임중 Addr 1 필드를 자신의 MAC 주소로 설정한다. 또한 상기 송신기는 데이터 프레임에 사용할 고속 전송률을 적용하여 CTS 프레임의 듀레이션(Duration) ID를 계산한다. 이 CTS 프레임 전송을 통해 BSS 내의 모든 시스템들에는 NAV (Network Allocation Vector) 값이 설정되고, 이에 따라 데이터 프레임 및 ACK 프레임 전송 완료 시점까지 채널은 비지 상태로 설정된다.

2) 송신기는 CTS 프레임 전송 완료 후 [SIFS - RFTxArrayRampOnTime - RFTxBeamProcTime] 시점에 도 2의 송신 어레이 안테나 201을 기동시킨다(도 18 참조). 한편 MAC 205는 CTS 프레임 전송 후 사전에 파악해 둔 수신기에 대한 위치 벡터값을 읽어서 공간처리기 203으로 인가한다. 상기 어레이 안테나 201의 기동이 끝나면 (RFTxArrayRampOnTime) 시점에서 송신 빔성형을 한 후 (RFTxBeamProcTime) 시점에서 CTS 프레임의 듀레이션 ID 계산 시 사용했던 고속 전송률(예: 54Mbps)로 데이터 프레임을 송신한다. 송신이 완료된 직후 상기 송신기는 송신 어레이 안테나의 전원을 차단한다.

상기의 방법으로 성능 개선 정도를 알아 보기 위해 SWAP 시스템이 원거리에 있는 수신기에 채널 예약 후 빔성형에 의해 고속 전송하는 것과 예약 없이 저속 분석하는 경우를 간단히 비교 분석해 보기로 한다. 수신기의 위치가 2Mbps 서비스가 가능한 영역에 있다고 가정하고 이 수신기로 송신할 데이터 프레임이 1500 바이트라고 하자. 또한 IEEE 802.11g 표준에 따라 시스템이 구성되었다고 가정하자. 상기 방법을 따르지 않는 경우는 2Mbps 전송률을 사용하면 데이터 전송을 완료되기까지 {Data → ACK} 순서(sequence)로 전송이 이루어지며 이에 소요되는 시간은 6066㎲가 된다. 반면 상기 방법에 따라 {CTS →Data →ACK} 순서로 전송한다. 이때 RTS/CTS는 2Mbps로 전송하고 Data 프레임을 54Mbps, ACK를 24Mbps로 전송을 하는 경우 총 308㎲가 소요된다. 따라서 동일 원격 약 21.4배의 성능 개선이 가능함을 알 수 있다.

3) 수신기(R)는 수신된 데이터 프레임에 오류가 없는 경우 데이터 프레임 수신 완료 이후 SIFS 후에 ACK 프레임을 송신기로 전송한다(도 17 참조). 이때 ACK 프레임의 송신을 위해 사용되는 데이터 전송률은 표준 규격에 정의되어 있는 Multirate support 규정을 따른다. 상기 Multirate support 규정에 따르면, 수신한 프레임에 대한 ACK 프레임 응답 전송시에는 수신 데이터 프레임에 대해 사용된 변조 방식과 동일한 변조 방식(예: CCK, OFDM(Offset Frequency Division Multiplexing) 혹은 PBCC)을 사용하고, 전송률은 각 변조 방식에서 지원해야 하는 필수 데이터 전송률(Mandatory rate)중 가장 높은 전송률을 사용하도록 되어 있다. 따라서 각 전송 변조 방식 및 전송률에 따라 달라지는 응답 프레임에 대한 수신 성 능을 높이기 위해 수신 빔성형을 사용한다.

4) 송신기는 데이터 프레임 송신 완료 후 [SIFS - RFRxArrayRampOnTime] 이후 수신 어레이 안테나 201을 수신기 방향으로 기동하여 ACK 프레임을 받을 준비를 한다(도 18 참조).

5) 송신기는 수신기로부터 ACK 프레임이 정상적으로 수신된 경우 데이터 프레임 송신 절차를 마친다. 상기 ACK 프레임이 ACK 타임아웃(Timeout) 기간 내에 수신되지 않은 경우에는 재전송 절차가 수행되게 된다.

B-3. 빔성형 안테나를 통한 데이터 수신

본 실시예는 스마트 무선 통신시스템에서 소모 전력의 효율을 극대화하면서 빔성형을 통해 데이터 수신 성능을 높일 수 있는 방법이다. 이 방법은 프리앰블(Preamble) 구간 이내에 공간 처리(Spatial processing)를 완료할 수 있는 고속 시스템에 적용 가능하다. 이 방법은 스마트 WLAN과 같은 무선 통신시스템이 임의의 시간에 임의의 시스템으로부터 전송되는 프레임을 수신하기 위해 항상 어레이 안테나를 기동하고 있지 않아도 되도록 하기 때문에 소모 전력을 극대화할 수 있다. 이 실시예에 따라 제시되는 방법은 다음과 같다.

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 수신 빔성형 제어 타이밍을 보여주는 도면 이다.

1) 도 2에 도시된 바와 같은 스마트 무선 통신시스템의 수신기는 평상 시 빔성형 어레이 안테나는 기동시키지 않고 Omni 안테나만을 기동시킨다.

2) 상기 시스템의 수신기는 임의의 수신 신호가 감지되고 CCA(Clear Channel Assessment)가 비지(Busy)로 판명되면, 어레이 안테나 201을 기동시킨다. CCA는 CSMA 계열 MAC에서는 필수적으로 구현되는 신호로 채널의 아이들(idle) 혹은 비지(busy) 여부를 나타낸다.

3) 상기 시스템의 수신기는 상기 어레이 안테나 201을 통해 수신한 신호에 대해 공간 처리기 203에 의해 공간 처리를 행한 후 송신기 방향으로 수신 빔을 형성하여 수신 감도를 높인다. 특히, 상기 시스템은 도 19와 같이 프리앰블(Preamble) 전송 기간 내에 수신빔 형성이 완료되면, PLCP 헤더부터 포함되는 데이터(MPDU Frame) 전체에 대해 감도를 높일 수 있으므로, 어레이 안테나를 항상 기동시킨 것과 동일한 수신 성능 개선이 가능하다.

4) 또한 상기 시스템의 수신기는 공간 처리기의 처리 결과로부터 구해진 송신기의 위치 벡터 정보를 벡터 캐쉬 메모리 208에 저장한다.

5) 상기 시스템의 수신기는 수신된 프레임이 자신에게로 수신된 것임이 확인되면 계속 수신빔을 형성하여 프레임 끝까지 수신한다. 수신된 프레임이 자신에게로 수신된 것이 아닌 경우에는 상기 시스템의 수신기는 어레이 안테나 201의 구동을 중단하고 Omni 안테나만을 구동시키는 모드로 돌아간다. 이때 수신된 프레임이 자신에게로 수신된 것인지 여부는 도 1의 Addr 1 필드를 확인함으로써 확인 가능하다.

6) 상기 시스템의 수신기는 자신에게로 온 프레임을 정상적으로 수신한 경우, 즉 수신 프레임의 CRC 검사 결과 오류가 없는 경우, 수신 시 파악한 위치 벡터를 사용하여 송신 빔성형 후 ACK 프레임을 상기 송신기로 전송한다.

전술한 방법은 소모 전력을 최소화하는 장점 이외에, CCA 검출 여부에 따라서만 어레이 안테나를 기동시킴으로써 잡음이나 간섭 신호가 아닌 정상 프레임에 대해서만 빔성형이 되도록 하여 스마트 무선 통신시스템이 오동작 되지 않도록 하는 장점이 있다.

C. 타 BSS에 대한 영향 최소화 방법

하기에서는 스마트 무선 통신시스템에서의 전송 동작시 타 BSS에 미치는 영향을 최소화하는 방법과, 수신 동작시 타 BSS에 의해 받는 영향을 최소화하는 방법들이 설명될 것이다.

C-1. 전송 시 타 BSS에 미치는 영향을 최소화

스마트 안테나를 사용해서 빔성형을 하기 위해서는 기지국의 송신기는 목적 지 단말의 방향(각도)을 알고 있어야 한다. 빔성형 안테나를 이용하게 되면 Omni 안테나의 경우와 달리 특정 방향으로만 신호가 출력된다. 만약 두 안테나들을 모두 사용하여 같은 전력(power)으로 신호를 전송한다면 신호가 도달되는 유효 영역은 같아질 것이다. 이때 Omni 안테나는 원형(circular)의 영역을 커버(cover)하는 반면, 스마트 안테나는 타원형과 유사한 형태의 영역을 커버하므로, 이 두 안테나들을 모두 사용한다면 도 11에 도시된 바와 같이 보다 먼 거리까지의 신호 전송이 가능하다. 이것은 Omni 안테나가 브로드캐스트에 적절한 반면, 스마트 안테나는 유니캐스트에 효과적이라는 것을 의미한다고도 볼 수 있다. 여기서 '유니캐스트(unicast)'는 기지국이 복수의 단말들중에서 특정 단말에게만 데이터를 전송하는 것으로, 비록 다른 단말들이 자신의 BSS에 속해 있더라도 그것들에는 관심이 없음을 의미하는 것이므로, 상기 기지국은 목적지 단말에 도달할 수 있는 전력만을 사용해도 아무런 상관이 없다. 이와 같이 목적지 단말에게 원하는 전송 속도로 전송할 수 있을 만큼의 전력만을 사용하게 되면, 결과적으로 타 BSS의 단말들에게 미치는 영향을 최소화할 수 있음은 물론 전력 소모도 또한 줄일 수 있다.

본 발명에서는 이와 같이 적응적(adaptive)으로 전송 출력을 조절하기 위해 단말간의 거리 정보를 이용한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 기지국은 가까운 거리에 있는 단말에게 데이터를 전송할 때는 적은 출력을 사용하고, 먼 거리에 있는 단말에게는 큰 출력을 사용한다. 이 방법은 기존의 보편적인 CSMA/CA 단말들이 가지고 있는 omni 안테나를 사용하는 경우보다는 스마트 안테나와 같은 빔성형(beam forming) 전송 방식을 사용할 때 보다 큰 효과를 얻을 수 있다.

C-2. 수신 시 타 BSS에 의해 받는 영향을 최소화

스마트 안테나는 전송 거리와 함께 수신 거리 또한 늘릴 수 있는 기능을 가진다. 이는 먼 거리에서 같은 주파수를 사용하는 다른 BSS의 기지국이나 단말이 전송하는 신호를 감지할 수 있음을 의미한다. 이런 경우가 발생하면 CSMA/CA의 기본 원리에 따라 유효한 신호가 사라질 때까지 무선 매체로 데이터를 전송할 수 없게 된다. 이런 현상은 Omni 안테나를 사용하는 경우에 발생할 수도 있지만, 스마트 안테나를 사용하는 경우에 더 빈번하게 발생할 수 있다. 따라서 보다 효율적으로 무선 매체를 사용하기 위해서는 가능한 한 다른 BSS의 단말에서 출력되는 신호를 무시할 수 있어야 한다.

이를 위한 한 방법에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 기지국은 자신의 BSS에 속한 단말들의 방향(각도)과 MAC 주소(address) 정보를 사용한다. 이러한 정보들은 단말들이 자신의 BSS에 가입할 때 또는 운용중 RTS/CTS 프레임 교환에 의해서 생성 및 유지 관리된다. 자신의 BSS내에 포함되는 모든 단말들의 위치 정보를 가지고 있는 기지국은 도 4의 프리앰블(preamble)을 감지할 때 방향(각도)이 자신의 BSS의 어떠한 단말도 속해 있지 않은 방향인 것으로 판단되면 더 이상 복호화(decoding)하지 않고 CCA도 검출하지 않는다. 이는 결과적으로 다른 BSS의 단말이 무선 매체를 사용하는 중이지만, 무선 매체를 아이들로 보고 엑세스할 수 있음을 의미한다. 반면에, 수신되는 신호의 방향이 유효한 경우, 즉 자신의 BSS 내 의 단말이 속한 방향인 경우에 기지국은 MAC 헤더(header) 부분까지 수신하여 송신한 단말의 주소를 분석한다. 송신한 단말의 MAC 주소가 자신의 BSS내에 속하지 않은 경우 기지국은 무선 매체를 아이들로 간주한다. 이때 CSMA/CA에서 사용하는 backoff는 적용하지 않는다.

또 다른 방법에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 기지국은 모든 수신 신호들을 송신한 단말의 MAC 주소를 검사한다. 이 경우는 방향 정보가 불필요하므로, 운용중 방향 정보를 수시로 업데이트할 필요가 없는 장점이 있다. 그러나 기지국은 다른 BSS로부터 전송된 신호라 하더라도 MAC 헤더까지는 수신하여야 하므로, 그 만큼 무선 매체의 사용 효율은 저하되게 된다.

앞서서 언급한 바와 같이 단말이 자신의 BSS 내에 속하는지 아닌지를 판단하기 위해 MAC 주소를 검사하는 동작은 도 5에 도시된 MAC 헤더의 Addr 1 필드를 검사함으로써 가능하다.

D. CSMA/CA 프로토콜 적용 시 거리 제한 극복 방법

스마트 안테나 기술을 현재 널리 보급되고 있는 IEEE 802.11 규격에 따른 CSMA/CA 시스템에 적용할 경우 RF 신호를 충분히 멀리 도달하게 한다 해도 전파 지연의 영향으로 인한 MAC 프로토콜의 한계 때문에 통신이 일정 거리 이내로 제한된다는 문제점이 있다. 그러므로, 본 발명에서는 이미 상용화된 IEEE 802.11 규격에 따른 무선 LAN 네트워크에서 기지국인 AP를 스마트 무선 기능을 갖는 스마트 Wireless AP (SWAP)으로 대체하여 통신 거리 제한의 문제점을 극복하기 위한 방법을 제안한다.

먼저, 하기에서 설명될 동작을 위해 참조되는 도면들을 설명하면 다음과 같다.

도 20은 본 발명이 적용되는 통신시스템에서 IEEE 802.11 규격에 따른 매체 접속 제어(MAC) 타이밍을 보여주는 도면이다. 이 도면은 CSMA/CA 방식의 통신시스템이 무선 매체를 어떤 규칙에 의해서 접속해야 하는가를 나타낸다. 무선 매체가 DIFS(DCF(Distributed Coordination Function) Inter-Frame Space)보다 긴 시간 동안 아이들 상태이면 즉시 무선 매체가 점유될 수 있다. 반면에 이미 무선 매체가 점유된 상태에서는 프레임의 전송이 완료된 후 SIFS(Short Inter-Frame Space), PIFS(PCF(Point Coordination Function) Inter-Frame Space), DIFS 또는 EIFS(Extended Inter-Frame Space) 후에 무선 매체가 점유될 수 있다. 여기서, SIFS, PIFS, DIFS 또는 EIFS의 사용은 전송된 프레임에 포함된 수신기 주소(RA)와 프레임의 종류 등에 따라 달라질 수 있으며, 도면에서는 SIFS, PIFS, DIFS가 사용된 경우가 도시되어 있다. 특히 DIFS와 EIFS가 사용된 경우에는 해당 시간이 경과된 후 다시 백오프(backoff)라는 과정을 위해 임의의 슬롯 시간(slot time)이 경과될 필요가 있다. 이는 동시에 다수의 단말들이 DIFS를 사용한 경우 서로 무선 매체를 점유하기 시작하는 시간을 가능한 한 달리함으로써 무선 매체상에서 프레임의 충돌을 방지하기 위함이다.

도 21은 본 발명이 적용되는 통신시스템에서 IEEE 802.11 규격에 따른 MAC 타이밍을 보다 상세하게 보여주는 도면이다. 앞서서 설명한 바와 같이 도 2에 도시된 MAC 계층은 수신 프레임의 종류와 수신기 주소 등의 정보에 따라 SIFS를 사용할 것인지 DIFS 등의 다른 IFS를 사용할 것인지를 결정할 필요가 있다. SIFS를 사용해야 한다면, 상기 MAC 계층은 TxSIFS 슬롯 경계(Slot Boundary) 시점에서 물리 계층에 송신 명령을 내리게 된다. 그렇게 되면 RxTxTurnaroundTime 이 경과된 후에 무선 매체상에 프리앰블의 첫번째 비트가 나타나게 되므로, 무선 매체상에서 관찰하면 프레임과 프레임 사이가 SIFS만큼 떨어져서 보이게 된다.

도 22 및 도 23은 본 발명이 적용되는 통신시스템의 수신기가 프레임들 사이의 시간 간격이 SIFS인 데이터 프레임을 수신하고 이 수신 데이터 프레임에 대한 응답인 ACK 프레임을 전송하는 동작 타이밍을 보여주는 도면이다.

상기 도 22는 데이터 프레임이 수신된 후 ACK 프레임을 전송할 때 필연적으로 발생하는 시간 지연 요소들만을 나타내고 있으며, IEEE 802.11 규격에 따른 두 단말간의 거리가 충분히 가까워서 전파지연(propagation delay)이 발생하지 않은 경우를 나타내고 있다. 여기서 필연적으로 발생하는 시간 지연 요소들에는 RxRFDelay, RxPLCPDelay 가 포함된다.

상기 도 23은 IEEE 802.11 규격에 따른 두 단말이 서로 멀리 떨어져 있어서 전파 지연(propagation delay)이 무시할 수 없을 만큼 크게 나타나는 것을 나타내고 있다. 이러한 경우 데이터를 전송한 단말은 SIFS 이내에 ACK 프레임을 수신하지 못하므로 전송한 데이터 프레임이 제대로 전달되지 않았다고 판단할 수 있다.

도 24 및 도 25는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법의 동작 타이밍을 보여주는 도면이다.

상기 도 24는 서로 멀리 떨어진 한 개의 IEEE 802.11 표준 단말이 데이터를 전송하고 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법이 적용된 단말이 응답하는 절차를 보여준다.

상기 도 24를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법이 적용된 단말은 표준에서 정의한 TxSIFS 슬롯 경계(Slot Boundary)보다 훨씬 빨리 더미(dummy) RF 신호를 발생시킴으로써 데이터를 전송한 표준 단말이 SIFS+CcaTime 경과 후에 CCA를 검출하도록 하여 ACK 프레임을 정상적으로 수신하도록 한다. 더미 RF 신호의 송신을 시작하는 시점은 구현에 따라 얼마든지 달라질 수 있으나 TxSIFS 슬롯 경계보다는 먼저 시작해야 하고, TxSIFS 슬롯 경계와 멀어질수록 더 먼거리의 단말과 통신을 할 수 있다.

상기 도 25는 서로 가까운 거리에서 IEEE 802.11 표준 단말이 데이터를 전송하고 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법이 적용된 단말이 응답하는 절차를 보여준다. 여기서 본 발명이 적용된 단말은 표준 단말과의 거리를 알지 못하는 경우로써, 무선 매체에서 관찰되는 SIFS가 규정 이하로 매우 작게 나타난다. 그럼에도 불구하고 표준 단말은 원래의 SIFS가 지난 다음에야 유효한 프리앰블을 수신하기 시작하므로 무리없이 ACK 프레임을 수신할 수 있다.

도 26은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법이 적용된 단말이 미리 더미 신호 또는 정상 프레임의 프리앰블을 내 보내다가 수신 프레임을 모두 받은 결과 데이터 일부가 깨져서 CRC 에러가 판명되었거나 기타 SIFS 응답 요건이 충족되지 않아서 전송을 취소하는 경우의 타이밍을 보여주는 도면이다. 이런 경우는 최대한 발생하지 않도록 구현해야 하며, CRC 에러 등으로 인해 불가피할 때에는 무선 매체에서 신호가 취소된 시점으로부터 IFS를 적용함으로써 다른 표준 단말과 공평성을 유지하도록 한다.

도 27은 본 발명의 제2 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법의 동작 타이밍을 보여주는 도면이다. 상기 도 27은 상기 제2 실시예에 따른 거리 제한 극복 방법이 적용된 단말이 표준 단말과 멀리 떨어진 상태에서 상기 표준 단말측으로 SIFS 내에 정상적인 응답 프레임이 도착하도록 처리하는 동작을 보여준다. 이와 같이 본 발명이 적용된 단말은 상대방 단말과의 거리를 알고 있으므로, TxSIFS 슬롯 경계를 앞당겨서 무선 전파(Air Propagation)에 따른 지연 효과를 상쇄한다.

다음에, 본 발명이 적용되는 IEEE 802.11 규격에 따른 매체 접속 제어(MAC: Medium Access Control) 방식에서 사용되는 CSMA/CA 통신 프로토콜을 살펴보기로 한다.

상기 CSMA/CA 프로토콜은 다수의 무선 단말들이 공간이라는 무선 매체(WM: Wireless Medium)를 이용함에 있어서 1) 자신이 데이터를 전송하기 전에 상기 무선 매체가 점유되어 있는가를 확인하고, 2) 매체가 프리(free)이면 충돌을 피하기 위해 임의의 시간만큼 대기(random backoff) 후 전송하되, 3) MAC-level acknowledgement 및 재전송을 골자로 하는 매체 접속 방식이다. 이때 무선 매체를 점유하는 데이터 프레임들 사이의 시간 간격은 규격에 따라야 한다. 상기 IEEE 802.11 규격에서는 이 시간을 IFS(Inter-Frame Space)라고 하는데, 간격의 길이에 따라 도 20에 도시된 바와 같이 SIFS(Short Inter-Frame Space), PIFS(PCF Inter-Frame Space), DIFS(DCF Inter-Frame Space) 그리고 EIFS(Extended InteFrame Space)로 구분된다.

상기 IFS중 SIFS는 프레임의 수신기 어드레스(RA : Receiver Address)가 자신이고 송신기에게 즉시 응답을 요하는 경우에 사용되는 간격으로, 다른 단말들보다 우선적으로 무선 매체를 점유하는 효과가 있다. SIFS가 사용되는 대표적인 예로는 RA가 자기 자신으로 설정된 MPDU(MAC Protocol Data Unit) 프레임을 수신한 후 송신기에게 ACK 프레임으로 응답하는 경우로, 도 22에 도시된 바와 같이 데이터 프레임과 ACK 프레임 사이는 SIFS 만큼의 시간 간격이 있게 된다. 이 경우 데이터 프레임을 전송한 단말(STA)은 프레임 전송 직후로부터 SIFS+CcaTime+Margin에 해당되는 시간만큼 기다리다가 이 시간안에 CCA가 검출되지 않으면 ACK 프레임이 오지 않 는 것으로 판단하여 앞서 보낸 데이터 프레임을 재전송하거나 삭제(discard)한다. 이때 SIFS는 고정된 값이고, CcaTime는 수신(RX) 프레임의 프레임블의 첫번째 비트가 안테나에 도달한 이후로부터 CCA를 검출하는데 까지 소요되는 시간으로 허용되는 최대값은 규격에 정해져 있으며, Margin은 SIFS 이후 유효한 ACK 프레임이 입력될 수 있는 허용 시간으로 구현에 따라 달라질 수 있다. ACK 프레임을 보내는 단말이 SIFS 규정을 준수하지 못하고 SIFS 보다 늦게 ACK 프레임을 보내는 경우, 상대 통신 단말의 Margin이 충분히 크다면 ACK 프레임을 수신할 수 있다. 그러나 Margin이 매우 작다면 응답 허용 시간(Trsp) 초과(response timeout)로 인하여 전송한 데이터를 분실한 것으로 판단하게 될 것이다. 따라서 상대방 단말의 제조사에 관계없이 통신이 가능하려면 반드시 SIFS를 준수해야만 한다.

이와 같이 SIFS는 MAC-Level acknowledge의 기본이기 때문에 상호 통신이 가능한가의 여부를 결정짓는 가장 중요한 타이밍 요소라고 할 수 있다. 예컨대, 5GHz 주파수 대역에서 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식을 사용하는 IEEE 802.11a 규격에 따르면, SIFS는 16 마이크로초(microsecond)로 정해져 있고, 대부분의 무선 LAN 시장을 점유하고 있는 2GHz 대역의 IEEE 802.11b 및 802.11g 규격에서는 SIFS가 10 마이크로초로 정해져 있다. 이러한 SIFS는 도 22에 도시된 바와 같이 세분화되는데, 이를 정리해보면 하기의 <수학식 1>과 같다.

여기서 RxRFDelay는 수신된 프레임의 마지막 비트가 도 2의 안테나로부터 RF 송수신기를 거쳐 기저대역 처리부(BBP: Baseband Processor)까지 도달하는데 걸리는 시간이다. RxPCLPDelay는 수신된 마지막 비트가 기저대역 처리부를 거쳐 MAC 모듈(MAU, MAC/MLME)까지 전달되는데 소요되는 시간이다. MACProcessingDelay는 MAC 모듈이 수신된 프레임을 분석하여 SIFS 안에 응답을 해야 되는가를 판단하는데 필요한 시간이다. RxTxTurnaroundTime은 MAC 모듈이 응답할 것을 결정하여 수신(RX) 모드로 되어 있는 기저대역 처리부와 RF 모듈을 송신(TX) 모드로 전환하기 시작한 시점으로부터 프리앰블이라고 하는 물리(PHY) 계층의 프레임 헤더가 안테나에서 전송되기 시작할 때까지의 시간을 의미한다. 모든 IEEE 802.11 호환 단말은 프리앰블의 첫번째 비트가 안테나에 도달한 이후로부터 CcaTime 이내에 CCA를 검출하여 무선 매체가 비지(busy)임을 판단할 수 있어야 한다.

한편, 프레임의 마지막 비트가 안테나에 수신된 직후로부터 [RxRFDelay + RxPLCPDelay + MACProcessingDelay], 즉[SIFS - RxTxTurnaroundTime] 만큼의 시간이 흐른 시점을 TxSIFS Slot Boundary라고 하여, 이 시점에 MAC 모듈은 PHY 계층을 TX 모드로 전환시켜야 한다. 여기서 RxTxTurnaroundTime의 최대값은 IEEE 802.11a 규격에서는 2 마이크로초를 넘을 수 없도록 규정되어 있고, IEEE 802.11b 규격에서는 5 마이크로초를 넘을 수 없도록 규정되어 있다.

위와 같이 규격에 정의된 SIFS에는 전파지연 시간(AirPropagationTime)이 포함되어 있지 않음을 알 수 있다. 이것은 통신 거리가 충분히 짧아서 전파지연 시간 이 무시할 만큼 작다고 가정한 것을 의미하는데, IEEE 802.11 규격에서는 이 전파지연 시간의 값이 1 마이크로초보다 충분히 작은 것으로 정하고 있다. 따라서 통신 거리가 늘어나서 전파지연 시간이 무시할 수 없을 만큼 커지게 되면, IEEE 802.11 규격에 따라 구현된 시스템 간에 데이터 프레임을 송수신하는데 있어서 SIFS는 도 23에 도시된 바와 같이 2*AirPropagationTime 만큼 늘어날 수 있다. 이는 곧 입력되는 ACK 프레임이 이전 데이터의 유효한 ACK 프레임으로 간주되는 최대 시간인 ACK response timeout(이하 "Trsp "라 칭함) )을 초과하여 통신이 지장을 받거나 불가능하게 된다. 참고로 전파의 전파 속도는 이상적인 진공상태에서 3108 meter/second로, 이는 300미터를 진행하는데 1 마이크로초가 소요됨을 의미하며, 대기권 내에서는 대략 250미터에 1 마이크로초 정도 지연이 되는 것으로 알려져 있다.

만일 본 발명에서 제시한 방법이 적용되지 않은 기존의 두 IEEE 802.11 호환 단말 A와 B가 서로 1200미터 떨어진 상태에서 통신을 한다면, 단말 A가 전송한 데이터가 단말 B까지 전파되는데 최소 4 마이크로초가 소요되고, 단말 B가 상기 전송된 데이터에 대한 응답으로 송신하는 ACK 프레임이 단말 A까지 도달하는데 4 마이크로초가 소요되어, 왕복 8 마이크로초의 전파 지연이 발생한다. 이러한 전파 지연의 영향으로 인해 전송 데이터가 손실되는 과정을 설명하면 다음과 같다. 여기서는 IEEE 802.11a 규격을 따르며, RxRFDelay=1, RxPLCPDelay=10, MACProcessingDelay=2, RxTxTurnaroundTime=2, CcaTime=4, 그리고 Trsp=22 마이크로초라고 가정한다.

1) 단말 A는 데이터 프레임의 마지막 비트가 자신의 안테나를 떠난 순간부터 Trsp 타이머를 구동한다.

2) 단말 A의 안테나를 떠난 데이터 프레임의 마지막 비트는 4 마이크로초 후에 단말 B의 안테나에 도달한다.

3) 단말 B의 안테나에 도달한 마지막 비트는 B의 RxRFDelay+RxPLCPDelay, 즉 11 마이크로초 이후에 단말 B의 MAC 모듈에 도착한다. 이 시점은 단말 A의 안테나를 떠난 시점으로부터 15 마이크로초가 경과된 시점이다.

4) 단말 B의 MAC 모듈은 MACProcessingDelay 시간동안 ACK 프레임을 전송할 것인지를 결정한 후 ACK 프레임을 전송한다. 이 과정에서 2 마이크로초가 소요된다.

5) 단말 B의 MAC 모듈에서 생성된 ACK 프레임은 단말 B의 RxTxTurnaroundTime인 2 마이크로초 이후에 단말 B의 안테나로부터 프리앰블의 첫 비트가 송출된다. 이 시점은 상기 과정 1)로부터 19 마이크로초가 경과된 시점이다.

6) 단말 B에서 전송된 ACK 프레임의 프리앰블 첫 비트는 4 마이크로초 후에 단말 A의 안테나에 도달한다. 이 시점은 상기 과정 1)로부터 23 마이크로초 경과된 시점이다.

7) 상기 과정 1)로부터 22 마이크로초가 경과된 시점에서 Trsp 타이머가 만료(expire)되고, 단말 A는 자신이 보낸 데이터 프레임이 손실된 것으로 판단하고 프레임을 재전송하거나 삭제한다.

8) 단말 A는 프리앰블이 안테나에 수신되기 시작한 이후로부터 CcaTime이 경과된 후에 무선 매체가 비지임을 검출한다. 이 시점은 상기 과정 1)로부터 27 마이크로초가 경과된 시점이다.

9) 단말 A는 프레임 수신 결과 ACK 프레임이라는 사실을 알지만, 이미 ACK 프레임을 기다리는 상태에서 벗어났으므로 수신된 ACK 프레임을 무시한다.

위의 예에서 단말 A의 동작은 그대로 두고, 단말 B의 동작을 수정함으로써 상기 단말 A가 데이터를 버리지 않고 ACK 프레임을 정상적으로 수신할 수 있도록 하는 손쉬운 방법은 단말 A의 Trsp 타이머가 만료되기 전에 상기 단말 A가 CCA를 검출할 수 있도록 하는 것이다. 이것을 가능하도록 하기 위해 본 발명에서는 두 가지 방법에 따른 실시예들을 제시한다.

첫 번째 방법은 단말 B가 정상적인 ACK 프레임을 전송하기 전에 더미 프리앰블(dummy preamble) 또는 더미 RF 신호를 송신해서 AirPropagationTime 에 의한 시간 손실 보상하게 함으로써 단말 A가 SIFS 후에 CCA를 검출할 수 있도록 하는 것이다.

즉, 상기 첫 번째 방법은 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하고, 안테나와, 무선주파수(RF) 처리 모듈과, 기저대역 처리부와, 매체접속제어(MAC) 모듈을 구비 하는 수신 시스템을 포함하고, 상기 송신 시스템은 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 수신 시스템은 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하는 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임 전송 이후 미리 설정된 시간 구간(SIFS)내에서 상기 응답 프레임을 수신할 수 있도록 하기 위한 상기 수신 시스템에서의 처리 방법에 관한 것으로, 제1 과정, 제2 과정 및 제3 과정을 포함한다. 상기 제1 과정은 상기 시간 구간을, 수신 프레임의 마지막 비트가 상기 안테나로부터 상기 RF 처리 모듈을 거쳐 상기 기저대역 처리부까지 도달하는 데 걸리는 시간을 나타내는 제1 구간(RxRFDelay)과, 상기 마지막 비트가 상기 기저대역 처리부를 거쳐 상기 MAC 모듈까지 전달되는 데 소요되는 시간을 나타내는 제2 구간(RxPLCPDelay)과, 상기 MAC 모듈이 상기 수신 프레임을 분석하여 상기 시간 구간 내에 응답을 해야 되는가를 판단하는데 필요한 시간을 나타내는 제3 구간(MACProcessingDelay)으로 구분하는 과정이다. 상기 제2 과정은 상기 제3 구간보다 앞선 시점에 CCA 검출을 위한 더미 RF 신호를 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정이다. 상기 제3 과정은 상기 데이터 프레임이 수신된 이후 상기 시간 구간이 경과한 시점에 상기 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정이다.

두 번째 방법은 단말 B가 단말 A와의 거리를 미리 알고 있어서 TxSIFS Slot Boundary가 AirPropagationTime 만큼 앞으로 당겨진 시점에서 ACK 프레임의 전송을 미리 시작하는 것이다. 반대의 경우로, 단말 B가 데이터를 보낸 후 단말 A가 보낸 ACK 프레임을 놓치지 않는 문제는 상기 단말 B의 Trsp 타이머의 값을 충분히 늘리면 간단히 해결될 수 있다.

즉, 상기 두 번째 방법은 옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하고, 안테나와, 무선주파수(RF) 처리 모듈과, 기저대역 처리부와, 매체접속제어(MAC) 모듈을 구비하는 수신 시스템을 포함하고, 상기 송신 시스템은 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 수신 시스템은 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하는 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임 전송 이후 미리 설정된 시간 구간(SIFS)내에서 상기 응답 프레임을 수신할 수 있도록 하기 위한 상기 수신 시스템에서의 처리 방법에 관한 것으로, 제1 과정, 제2 과정 및 제3 과정을 포함한다. 상기 제1 과정은 상기 시간 구간을, 수신 프레임의 마지막 비트가 상기 안테나로부터 상기 RF 처리 모듈을 거쳐 상기 기저대역 처리부까지 도달하는 데 걸리는 시간을 나타내는 제1 구간(RxRFDelay)과, 상기 마지막 비트가 상기 기저대역 처리부를 거쳐 상기 MAC 모듈까지 전달되는 데 소요되는 시간을 나타내는 제2 구간(RxPLCPDelay)과, 상기 MAC 모듈이 상기 수신 프레임을 분석하여 상기 시간 구간 내에 응답을 해야 되는가를 판단하는데 필요한 시간을 나타내는 제3 구간(MACProcessingDelay)으로 구분하는 과정이다. 상기 제2 과정은 상기 제3 구간보다 앞선 시점에 상기 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정이다.

하기에서 설명될 본 발명은 상기의 수정된 단말 B와 같이 TxSIFS Slot Boundary를 [SIFS - RxTxTurnaroundTime] 시점보다 충분히 앞으로 당김으로써 Air Propagation Delay를 보상하여 SIFS의 확대를 방지하고, 결과적으로 원거리의 상대방 단말이 Trsp 타이머의 만료에 의해 프레임을 버리는 일이 발생하지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해서 본 발명은 제1 실시예로서 TxSIFS Slot Boundary가 앞당겨진 시간만큼은 정상적인 프레임 대신에 IEEE 802.11 호환 단말이 CCA를 검출할 수 있는 더미 프리앰블이나 더미 RF 신호를 내 보내서 Trsp 타이머가 만료되는 것을 방지하고, 유효한 프레임은 원래의 규격에 정해진 시간, 즉 AirPropagationTime을 무시했을 때 SIFS를 만족하는 시점으로부터 더미 신호에 이어서 연속적으로 송출하는 방법을 제시하고, 제2 실시예로서 상대방과의 거리를 미리 알아서 TxSIFS Slot Boundary를 AirPropagationTime만큼 앞으로 당겨서 응답을 하는 방법을 제시한다. 후자의 실시예는 TxSIFS Slot Boundary가 동적(dynamic)으로 변경되도록 하는 것이고, 전자의 실시예는 가능한 빠른 시간에 더미 신호를 내 보내도록 하는 것이다. 상기 제2 실시예의 적용에 있어서 시스템 관리자가 미리 통신하는 단말별 거리를 입력해 줄 수도 있으나 상대방의 위치가 수시로 변경될 수 있으므로 자동으로 거리를 측정하는 방법을 사용한다. 아울러, 데이터를 보내고 ACK 프레임을 받는 경우에는 Trsp 타이머의 값을 충분히 크게 하여 AirPropagationTime에 의한 지연 요소를 고려하도록 한다.

상기의 실시예들 중에서 제1 실시예에 의한 방법은 약간의 처리율(throughput) 저하를 유발할 수 있는 요소가 있으나 매우 간단하고 저렴하게 구현이 가능한다. 제2 실시예에 의한 방법은 원거리 통신에서도 IEEE 802.11 규격을 정확히 준수하게 되지만 구현 비용이 클 것으로 예상된다. 앞서도 기술한 바와 같이 본 발명이 적용된 AP 시스템은 과거의 Wireless LAN에 비해 한 BSS의 물리적인 서비스 영역을 크게 확대할 수 있음은 물론, WAN의 기지국으로도 사용이 가능하며, 기존의 IEEE 802.11 호환 단말들을 아무런 변경 없이 그대로 수용할 수 있다.

D-1. Dummy RF 신호를 이용한 원거리 통신

제1 실시예는 더미 RF 신호를 미리 전송함으로써, 상대방 표준 단말이 응답을 요구하는 프레임 전송 완료 직후로부터 SIFS 이내에 CCA를 검출하도록 하는 방법이다. 도 29는 이 방법이 적용된 단말의 개념적 내부 구성을 보여주는 도면이다. 이 도면은 이해를 돕기 위한 개념도이므로, 본 발명에서 제시한 기능을 수행하면서도 다른 형태로의 구성이 가능하다. 예를 들어, MAC 헤더 디코더(Header Decoder)는 BBP 모듈에 내장될 수도 있고 MAC 모듈에 내장될 수도 있다.

이 방법은 도 29의 BBP 모듈에 있는 더미 신호 생성기(dummy signal generator)와 헤더 디코더(Header Decoder)로 구현이 가능하다. 먼저 상기 헤더 디코더는 도 28의 PLCP 헤더(header)와 MAC 헤더(header)를 분석한다. 상기 PLCP 헤더에는 프레임의 전송 속도와 길이 정보가 포함되어 있기 때문에, 이를 이용하면 현재 수신되는 프레임의 수신 완료 시간을 알 수 있다. 상기 MAC 헤더중에서 프레 임 제어필드(Frame Control Field)와 수신기 주소(RA)에 해당하는 어드레스(Addr1) 필드를 분석하면, 상기 헤더 디코더는 SIFS 후에 송신기로 어떤 프레임을 보내야 하는지 그렇지 않은지를 결정할 수 있다. 따라서 상기 헤더 디코더는 수신되는 프레임의 마지막 비트가 안테나에 도달하는 순간에, 또는 다른 원하는 시간에 더미 신호 생성기를 제어하여 더미 RF 신호를 전송할 수 있다.

한편, FCF나 RA 필드의 값만으로는 SIFS 응답을 할 것인지 최종 결정하는데 충분하지 않다. 프레임 전체를 모두 수신해서 CRC를 검사하고 CRC 검사 결과가 양호한 것으로 확인되는 경우에만 최종 응답 여부를 결정할 수 있다. CRC 검사 결과가 양호하지 않는다는 것은 수신 프레임의 일부가 손실되었다는 것을 의미하기 때문에 응답을 하지 않아야 하는 것이다. 그러나 CRC 검사 결과 양호한 것으로 확인한 후 응답을 하면 RxRFDelay, RxPLCPDelay, 그리고 MACProcessingDelay가 이미 모두 지나게 되어 보다 원거리의 AirPropagationTime을 보상하기에 충분한 시간을 앞당겨서 더미 신호를 보내는 것이 어렵게 된다. 따라서 상기 헤더 디코더는 CRC 검사가 완료되기 전에 미리 더미 신호의 전송을 시작하고, CRC 검사 결과 오류가 발생하였다면 MAC 모듈은 더미 신호를 취소한다. 도 26은 이런 경우에 나타나는 무선 매체상에서의 결과를 보여주는 도면이다. 이러한 경우는 빈번히 발생되지는 않을 것이나, 혹 발생이 된다고 해도 타 단말들이 IEEE 802.11 규격에 따라 적절히 처리하도록 되어 있기 때문에 통신 장애를 유발하는 등의 심각한 영향은 미치지 않을 것이다.

더미 RF 신호의 전송 도중에 CRC 검사가 끝나고 오류가 없으면 정상 프레임 의 프리앰블을 도 28에 도시된 바와 같이 더미 신호에 연결해서 전송한다. 이때 프리앰블의 첫번째 비트가 안테나를 떠나는 시점은 도 24와 같이 original TxSIFS slot boundary로부터 RxTxTurnaroundTime이 경과된 때로 맞추도록 한다. 이는 도 25와 같이 가까운 거리의 단말과 통신하는 경우에 정상 프레임의 프리앰블이 정확히 SIFS에 맞추어 전송되도록 하기 위함이다. 그러나 경우에 따라 original TxSIFS slot boundary로부터 RxTxTurnaroundTime 이 경과 되기 이전에도 정상 프리앰블 신호가 전송될 수 있다.

D-2. 정상 프레임을 사용한 원거리 통신

제2 실시예는 정상적인 프리앰블을 거리에 따라 미리 전송하는 방법이다. 이 방법을 적용한 단말은 LAN과 같이 가까운 거리의 망에서는 IEEE 802.11 호환 단말과 동일하게 동작하지만, 상대방과의 거리에 따라 TxSIFS slot boundary를 동적으로 조절한다. 도 30은 이 실시예의 대표적인 구현 예이다. 여기서는 상기 제1 실시예와 같이 BBP에 더미 신호를 생성하는 부분이 없는 대신에 MAC 모듈에 거리 측정 모듈(Distance Calculation Module)이 있고, 헤더 디코더에는 단말별 거리 정보를 저장하고 있는 데이터베이스(DB)가 구비되는 것을 특징으로 한다. 물론 거리 측정 모듈이 반드시 MAC 모듈에 있어야 하는 것은 아니며 거리 정보 역시 반드시 헤더 디코더에 있어야 하는 것이 아님은 당연하다.

여기서는 이미 단말과의 거리 정보가 상기 헤더 디코더에 저장되어 있다고 가정하고 그에 따른 동작을 설명하기로 한다. 상기 더미 신호를 이용하는 경우와 같이 헤더 디코더는 PLCP 헤더 정보로부터 프레임의 수신이 언제 끝날지를 미리 계산하여 알 수 있고, MAC 헤더의 FCF와 RA로부터 SIFS 후에 응답 프레임을 보내야 하는가를 판단할 수 있다. 아울러 이 방법에서는 송신기 주소(TA: Transmitter Address)를 추가로 참조하여 현재 프레임을 전송한 단말이 얼마나 떨어져 있는가를 단말별 거리 정보 DB에서 가져온다. 만일 거리가 일반적인 LAN의 수준, 즉 예를 들어 300미터 이내이면 미리 프리앰블을 보내는 기능을 구동하지 않고, 그보다 먼 경우에는 2 ×d/300 마이크로초만큼 원래의 TxSIFS slot boundary보다 먼저 프리앰블을 보내도록 한다. 여기서 d는 단말까지의 거리로써 단위는 미터이다. 도 30에서는 개념적인 측면을 강조하기 위해서 거리 정보 및 거리 측정 모듈로 표기하였으나, 실제로 구현할 때에는 거리 정보 대신 시간 정보로 사용하는 편이 유리하다.

도 27은 본 발명의 제2 실시예에 따라 TxSIFS slot boundary를 앞당김으로써 정상적인 ACK 프레임의 프리앰블이 데이터를 전송한 단말에게 SIFS 경과된 시간에 도착하는 것을 보여준다. 이와 같이 미리 정상 프레임을 전송하는 방법 역시 CRC 결과가 오류이면 전송을 취소해야 한다. 따라서 이 실시예에서도 도 26에 나타낸 바와 같이 전송이 취소되는 경우가 발생 가능하다.

이 실시예는 더미 신호를 보내는 방법에 비해서 더 원거리 통신이 가능하게 할 수 있다. 즉 거리가 매우 먼 경우에는 수신되는 프레임이 아직 무선 매체상에 남아 있는 상태에서도 응답 프레임의 프리앰블을 전송할 수 있다. IEEE 802.11a나 802.11b 모두 프래앰블의 길이가 SIFS 보다 크기 때문에 원래의 TxSIFS slot boundary 시점으로부터 프리앰블의 길이만큼을 앞당길 수 있다.

한편, 상기 제1 실시예에 따른 더미 신호를 보내는 방법과 상기 제2 실시예에 따른 거리 정보를 이용하는 방법의 조합도 가능하다. 이 방법은 TxSIFS slot boundary로부터 프리앰블 길이만큼만 앞당겨 전송할 수 있는 제약을 극복함으로써 보다 먼 거리까지 통신이 가능하도록 할 수 있다.

D-3. 상대방 단말과의 거리 측정

SIFS는 802.11 호환 단말이 지켜야 하는 가장 기본적인 시간이다. 이 시간은 제조사에 따라 약간씩 오차가 있을 수 있겠지만 그 크기는 무시할 만큼 매우 작은 것으로 가정한다. 도 30에 도시된 거리측정모듈(distance calc module)은 이 SIFS 규격을 이용하여 타 단말과의 거리를 측정한다. 이때의 거리 측정 동작은 다음과 같이 수행된다.

1) 상대방 단말이 SIFS 응답을 할 수 있는 프레임을 만들어 보낸다. 이런 프레임의 예로는 널 프레임(Null frame), RTS 프레임 등이 있다.

2) 보낸 프레임의 마지막 비트가 안테나를 떠나는 시간을 기록해 둔다.

3) SIFS보다 충분한 시간동안 기다려 응답되어 오는 프레임의 프리앰블의 첫번째 비트가 안테나에 도착하는 시간을 기록해 둔다.

4) 응답 프레임을 수신 완료한 후 기대한 프레임이 아니거나 오류가 있는 경 우에는 다시 1) 과정을 되풀이하고, 정상이면 다음 과정을 진행한다.

5) 기록한 두 시간의 차이, 즉 수신한 프레임의 프리앰블의 첫번째 비트가 안테나에 도착한 시점에서 상대방에게 보낸 프레임의 마지막 비트가 안테나를 떠난 시점을 뺀 값을 구한다. 이렇게 구한 값에서 SIFS 값을 빼면 시간 dT(microsecond)가 구해지는데, 이때 상대방 단말의 거리는 300 × dT/2 미터가 된다.

6) 좀 더 정확한 결과를 얻으려면 한 단말에 대해서 위 과정을 반복 수행하고 그 결과를 평균내는 방법을 사용할 수 있다.

앞서서 설명한 바와 같이 실제 구현 시에는 거리로 환산해 둘 필요 없이 시간 정보를 바로 사용해도 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 다음과 같이 크게 3가지의 견지에서의 이점이 있다.

첫째, 본 발명의 매체 접속 제어 방법은 빔성형을 사용하는 스마트 무선 통 신시스템에서 발생하는 문제를 해결하면서 고속으로 서비스할 수 있는 영역의 확대를 가능하게 한다는 이점이 있다.

둘째, 본 발명은 스마트 안테나 전송 시 타 BSS에 미치는 영향을 최소화하는 방법과 수신 시 타 BSS에 의해 받는 영향을 최소화하는 방법을 제안하는데, 이러한 방법은 스마트 무선 통신시스템에서는 빔 성형 서비스 영역 내에서 동일한 주파수 채널을 사용하는 타 BSS에 영향을 주거나 타 BSS로부터 영향을 받기 쉽다는 문제점을 해결한다는 이점이 있다.

셋째, 본 발명에서는 이미 상용화된 IEEE 802.11 무선 LAN 네트워크에서 기지국인 AP를 스마트 무선 기능을 갖는 스마트 Wireless AP (SWAP)으로 대체하여 통신 거리 제한의 문제점을 극복하기 위한 방법을 제안하는데, 이러한 방법은 스마트 안테나 기술을 현재 널리 보급되고 있는 IEEE 802.11 규격에 따른 CSMA/CA 시스템에 적용할 경우 RF 신호를 충분히 멀리 도달하게 한다 해도 전파 지연의 영향으로 인한 MAC 프로토콜의 한계 때문에 통신이 일정 거리 이내로 제한된다는 문제점을 해결한다는 이점이 있다.

Claims

기지국과 다수의 단말들을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 단말들중 하나의 단말과 무선으로 통신하기 위한 상기 기지국에서의 매체 접근 제어 방법에 있어서,

옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 제공하는 과정과,

상기 단말로부터의 초기 가입 또는 재가입을 요청하는 프레임을 수신하여 공간 처리함으로써 상기 단말의 위치 정보를 구하고, 가입 이후 상기 단말로부터의 전송 프레임의 수신에 응답하여 공간 처리함으로써 상기 단말의 위치 정보를 갱신하는 과정과,

데이터 프레임의 전송이 요구될 때 상기 옴니 안테나를 통해 미리 설정된 프레임을 전송하여 상기 단말 사이의 채널을 예약하는 과정과,

상기 데이터 프레임을 상기 스마트 어레이 안테나를 통해 상기 단말로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서, 상기 데이터 프레임은 유니캐스트 데이터 프레임임을 특징으로 하는 상기 방법.
제2항에 있어서, 상기 데이터 프레임이 브로드캐스트/멀티캐스트 데이터 프레임인 경우 이 프레임을 상기 옴니 안테나를 통해 상기 단말로 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제2항에 있어서, 관리 및 제어 프레임의 전송이 요구될 때 이 프레임을 상기 옴니 안테나를 통해 상기 단말로 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서, 상기 옴니 안테나를 통한 프레임은 미리 주어진 기본 전송률 집합에 정의된 전송률로 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서, 상기 스마트 어레이 안테나를 통한 프레임은 미리 주어진 운용 전송률 집합에 정의된 전송률로 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서, 상기 단말의 위치 방향으로 상기 스마트 어레이 안테나를 기동하는 과정을 더 포함하고,

이에 따라 상기 스마트 어레이 안테나가 상기 위치 방향으로 빔을 형성하여 상기 유니캐스트 데이터 프레임을 상기 단말로 전송하도록 하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
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제1항에 있어서, 상기 설정된 프레임의 전송 이전에 예약을 위한 채널이 점유되었는지를 확인하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템과 상기 수신 시스템 간의 무선 통신을 위한 매체 접근 제어 방법에 있어서,

데이터 프레임의 전송이 요구될 때 상기 송신 시스템이 상기 수신 시스템 사이의 채널을 예약하기 위하여 상기 옴니 안테나를 통해 미리 설정된 프레임을 전송하는 과정과,

상기 수신 시스템이 상기 설정된 프레임의 수신에 응답하여 응답 프레임을 상기 기지국으로 전송하는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 설정된 프레임을 전송한 후 미리 설정된 제1 시간이 경과하였을 때 수신을 위해 상기 어레이 안테나를 기동시키는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 응답 프레임을 수신하고 상기 수신 시스템의 위치 정보를 구하는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 제1 시간 후 미리 설정된 제2 시간이 경과하였을 때 송신을 위해 상기 어레이 안테나를 상기 수신 시스템의 위치 방향으로 기동시키는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 데이터 프레임을 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제12항에 있어서, 상기 데이터 프레임은 유니캐스트 데이터 프레임임을 특징 으로 하는 상기 방법.
제13항에 있어서, 상기 데이터 프레임이 브로드캐스트/멀티캐스트 데이터 프레임인 경우 이 프레임을 상기 송신 시스템이 상기 옴니 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제13항에 있어서, 관리 및 제어 프레임의 전송이 요구될 때 이 프레임을 상기 송신 시스템이 상기 옴니 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제12항에 있어서, 상기 옴니 안테나를 통한 프레임은 미리 주어진 기본 전송률 집합에 정의된 전송률로 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제12항에 있어서, 상기 스마트 어레이 안테나를 통한 프레임은 미리 주어진 운용 전송률 집합에 정의된 전송률로 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제12항에 있어서, 상기 수신 시스템이 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하여 ACK 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 경우 상기 송신 시스템이 스마트 안테나를 통해 수신 빔성형을 미리 준비하여 수신하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제18항에 있어서, 상기 송신 시스템이 상기 응답 프레임의 수신에 응답하여 수신을 위해 상기 기동된 상기 어레이 안테나의 기동을 정지시키는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제19항에 있어서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임의 전송 이후에 미리 설정된 제3 시간이 경과하였을 때 상기 기동이 정지된 상기 어레이 안테나를 재기동시키고, 상기 재기동된 상기 어레이 안테나를 상기 ACK 프레임의 수신에 응답하여 정지시키는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템과 상기 수신 시 스템 간의 무선 통신을 위한 매체 접근 제어 방법에 있어서,

상기 수신 시스템으로부터의 초기 가입 또는 재가입을 요청하는 프레임을 수신하여 공간 처리함으로써 상기 수신 시스템의 위치 정보를 구하고, 가입 이후 상기 수신 시스템으로부터의 전송 프레임의 수신에 응답하여 공간 처리함으로써 상기 수신 시스템의 위치 정보를 갱신하는 과정과,

데이터 프레임의 전송이 요구될 때 상기 송신 시스템이 상기 수신 시스템 사이의 채널을 예약하기 위하여 상기 옴니 안테나를 통해 미리 설정된 프레임을 전송하는 과정과,

상기 수신 시스템이 상기 설정된 프레임의 수신에 응답하여 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 설정된 프레임을 전송한 후 미리 설정된 제1 시간이 경과하였을 때 수신을 위해 상기 어레이 안테나를 기동시키는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 응답 프레임을 수신하는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 제1 시간 후 미리 설정된 제2 시간이 경과하였을 때 송신을 위해 상기 어레이 안테나를 상기 수신 시스템의 위치 방향으로 기동시키는 과정과,

상기 송신 시스템이 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 데이터 프레임을 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제21항에 있어서, 상기 데이터 프레임은 유니캐스트 데이터 프레임임을 특징으로 하는 상기 방법.
제22항에 있어서, 상기 데이터 프레임이 브로드캐스트/멀티캐스트 데이터 프레임인 경우 이 프레임을 상기 송신 시스템이 상기 옴니 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제22항에 있어서, 관리 및 제어 프레임의 전송이 요구될 때 이 프레임을 상기 송신 시스템이 상기 옴니 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제21항에 있어서, 상기 옴니 안테나를 통한 프레임은 미리 주어진 기본 전송률 집합에 정의된 전송률로 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제21항에 있어서, 상기 스마트 어레이 안테나를 통한 프레임은 미리 주어진 운용 전송률 집합에 정의된 전송률로 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제21항에 있어서, 상기 수신 시스템이 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하여 ACK 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제27항에 있어서, 상기 송신 시스템이 상기 응답 프레임의 수신에 응답하여 수신을 위해 상기 기동된 상기 어레이 안테나의 기동을 정지시키는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제28항에 있어서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임의 전송 이후에 미리 설정된 제3 시간이 경과하였을 때 상기 기동이 정지된 상기 어레이 안테나를 재기동시키고, 상기 재기동된 상기 어레이 안테나를 상기 ACK 프레임의 수신에 응답하여 정지시키는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하는 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템에서 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 방법에 있어서,

상기 어레이 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하는 과정과,

상기 데이터 프레임 전송 후 미리 설정된 시간이 경과하였을 때 상기 수신 시스템 방향으로 빔 형성을 위해 상기 수신 시스템의 위치 정보를 이용하여 상기 어레이 안테나를 기동하는 과정과,

상기 전송된 데이터 프레임과 동일한 변조 방식으로 변조되고 해당 변조 방식에서 지원되는 가장 높은 전송률로 전송되는 상기 수신 시스템의 응답 프레임을 상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 빔 성형하여 수신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제30항에 있어서, 상기 수신 시스템의 위치 정보는 상기 데이터 프레임의 전송 이후 상기 수신 시스템이 전송하는 응답 프레임을 수신하여 공간 처리함으로써 구해지는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제30항에 있어서, 상기 수신 시스템의 위치 정보는 상기 수신 시스템이 상기 송신 시스템에 초기 가입 또는 재가입을 요청하는 프레임을 송신할 시 이 프레임을 수신하여 공간 처리함으로써 구해지고, 가입 이후 상기 수신 시스템으로부터의 전송 프레임의 수신에 응답하여 공간 처리함으로써 갱신되는 것을 특징으로 하는 상 기 방법.
옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하는 수신 시스템을 포함하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템에서 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 방법에 있어서,

상기 옴니 안테나를 기동하고 상기 기동된 상기 옴니 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 과정과,

상기 수신 시스템으로부터 신호가 수신되고 미리 설정된 시간 이후에 채널이 예약된 것으로 확인되었을 때 수신을 위해 상기 어레이 안테나를 기동하는 과정과,

상기 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 수신되는 신호를 공간 처리하여 상기 수신 시스템의 위치 정보를 구하는 과정과,

상기 구해진 위치 정보를 이용하여 상기 수신 시스템 방향으로의 수신 빔 성형을 위해 상기 어레이 안테나를 기동시키는 과정과,

상기 수신 빔 성형을 위해 기동된 상기 어레이 안테나를 통해 상기 수신 시스템으로부터의 신호를 수신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하고, 안테나와, 무선주파수(RF) 처리 모듈과, 기저대 역 처리부와, 매체접속제어(MAC) 모듈을 구비하는 수신 시스템을 포함하고, 상기 송신 시스템은 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 수신 시스템은 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하는 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임 전송 이후 미리 설정된 시간 구간내에서 상기 응답 프레임을 수신할 수 있도록 하기 위한 상기 수신 시스템에서의 처리 방법에 있어서,

상기 시간 구간을, 수신 프레임의 마지막 비트가 상기 안테나로부터 상기 RF 처리 모듈을 거쳐 상기 기저대역 처리부까지 도달하는 데 걸리는 시간을 나타내는 제1 구간과, 상기 마지막 비트가 상기 기저대역 처리부를 거쳐 상기 MAC 모듈까지 전달되는 데 소요되는 시간을 나타내는 제2 구간과, 상기 MAC 모듈이 상기 수신 프레임을 분석하여 상기 시간 구간 내에 응답을 해야 되는가를 판단하는데 필요한 시간을 나타내는 제3 구간으로 구분하는 과정과,

상기 제3 구간보다 앞선 시점에 상기 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제34항에 있어서, 상기 응답 프레임은 상기 제3 구간보다 2 ×{상기 수신 시스템에서 상기 송신 시스템까지의 전파 지연 시간} 이전에 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
옴니 안테나와 빔성형을 위한 스마트 어레이 안테나를 구비하는 송신 시스템과 상기 송신 시스템과 통신하고, 안테나와, 무선주파수(RF) 처리 모듈과, 기저대역 처리부와, 매체접속제어(MAC) 모듈을 구비하는 수신 시스템을 포함하고, 상기 송신 시스템은 상기 수신 시스템으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 수신 시스템은 상기 데이터 프레임의 수신에 응답하는 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 무선 네트워크에서, 상기 송신 시스템이 상기 데이터 프레임 전송 이후 미리 설정된 시간 구간내에서 상기 응답 프레임을 수신할 수 있도록 하기 위한 상기 수신 시스템에서의 처리 방법에 있어서,

상기 시간 구간을, 수신 프레임의 마지막 비트가 상기 안테나로부터 상기 RF 처리 모듈을 거쳐 상기 기저대역 처리부까지 도달하는 데 걸리는 시간을 나타내는 제1 구간과, 상기 마지막 비트가 상기 기저대역 처리부를 거쳐 상기 MAC 모듈까지 전달되는 데 소요되는 시간을 나타내는 제2 구간과, 상기 MAC 모듈이 상기 수신 프레임을 분석하여 상기 시간 구간 내에 응답을 해야 되는가를 판단하는데 필요한 시간을 나타내는 제3 구간으로 구분하는 과정과,

상기 제3 구간보다 앞선 시점에 CCA 검출을 위한 더미 RF 신호를 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정과,

상기 데이터 프레임이 수신된 이후 상기 시간 구간이 경과한 시점에 상기 응답 프레임을 상기 송신 시스템으로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제36항에 있어서, 상기 더미 RF 신호는 상기 제3 구간보다 2 ×{상기 수신 시스템에서 상기 송신 시스템까지의 전파 지연 시간} 이전에 전송되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.