KR100818630B1 - 다중입력 다중출력 무선 랜 환경에서 데이터를 송수신하는방법 - Google Patents

다중입력 다중출력 무선 랜 환경에서 데이터를 송수신하는방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 시스템에 대한 것으로서, 보다 구체적으로 복수의 스테이션 간에 발생하는 데이터 충돌 문제를 다중입력 다중출력 복호화 기법을 이용하여 해결하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 데이터 수신 방법은, 복수의 수신 안테나를 통해 적어도 하나의 스테이션으로부터 각각 프리앰블을 수신하는 단계, 수신된 프리앰블에 기초하여 스테이션과 액세스 포인트 간의 무선 채널을 추정하는 단계, 수신된 프리앰블에 기초하여 각각의 스테이션과 연관된 충돌을 감지하는 단계, 및 충돌이 감지된 경우에 무선 채널 추정치를 참조하는 다중입력 다중출력 복호화 기법을 이용하여 각각의 스테이션으로부터 전송된 데이터를 복호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 액세스 포인트에 접속하는 복수의 스테이션 간의 충돌 문제를 효과적으로 해결함으로써 무선 랜 시스템의 데이터 전송 스루풋을 향상시키고 접근 지연 시간을 감소시킬 수 있다.
다중입력 다중출력, MIMO, 스테이션, 액세스 포인트, DCF, 충돌.

Description

다중입력 다중출력 무선 랜 환경에서 데이터를 송수신하는 방법{METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING DATA IN MULTI-INPUT MULTI-OUTPUT WIRELESS LOCAL AREA NETWORK ENVIRONMENT}
도 1은 본 발명에 따른 다중입력 다중출력 무선 랜 시스템의 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 데이터 송신 타이밍을 도시한 타이밍도이다.
도 3은 본 발명에 따른 데이터 수신 방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 데이터 전송 방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 랜 액세스 포인트 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 연속 간섭 제거 기법이 적용된 도 5의 프레임 검출부의 내부 구성을 보다 상세히 도시한 블록도이다.
도 7은 도 6의 데이터 신호 추정부의 내부 구성을 보다 상세히 도시한 블록도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 데이터 송수신 방법의 성능을 모의 실험을 통해 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 제1 스테이션 120: 제2 스테이션
130: 액세스 포인트 510: 무선 신호 처리부
520: 프리앰블 추출부 530: 채널 추정부
540: 충돌 감지부 550: 프레임 검출부
610: 복호부 620: 프레임 선택부
630: 순환 중복 검사부 640: 데이터 신호 추정부
본 발명은 다중입력 다중출력 (MIMO, Multi-Input Multi-Output) 기반의 무선 랜 시스템에 대한 것으로서, 보다 구체적으로 복수의 스테이션 간에 발생하는 데이터 충돌 문제를 다중입력 다중출력 복호화 기법을 이용하여 해결하는 방법에 관한 것이다.
무선 랜(wireless local area network, WLAN)은 케이블을 사용하지 않고 무선으로 근거리 통신망을 구축하는 기술이다. 무선 랜은 유선 랜 특유의 구현 용이성과 확장성을 그대로 유지하면서도 케이블 작업으로부터 오는 비용 증가를 막고, 사용자에게 더욱 편리한 네트워크 접속 환경을 제공할 수 있다는 특징이 있다.
최근 PDA(portable digital assistance), PMP(portable media player), 타블렛 PC(tablet personal computer)와 같은 다양한 종류의 휴대용 단말기가 그 사 용 범위를 확대해 가고 있고, 이들 휴대용 단말기를 통한 네트워크 연결 기능에 대한 사용자의 수요가 증가함에 따라 무선 랜에 대한 관심이 급증하고 있는 추세이다.
무선 랜과 관련된 대표적인 표준으로는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11 Wi-Fi 규격이 있다. IEEE 802.11 표준은 1997년 처음으로 릴리스(release)된 이래로 점차 더 높은 성능을 지원하기 위해 11a, 11b, 11g 등의 리비젼(revision)을 거쳐 현재는 11n 버전의 표준화 작업이 진행중이다.
활발하게 표준화 작업이 진행되고 있는 IEEE 802.11n 은 물리 계층(physical layer)에서의 높은 데이터 전송률을 지원하기 위해 다중입력 다중출력(multi-input multi-output, 이하 "MIMO"라 약칭함) 방식의 시스템 구성을 채택하고 있다. MIMO란 송신단이 복수의 송신 안테나를 통해 여러 경로로 데이터를 전송하고, 수신단 역시 복수의 안테나를 통해 각각의 경로로부터 수신된 신호를 이용하여 데이터를 검출함으로써 데이터 전송률을 향상시키고 다중 경로 환경에서의 간섭을 제거하는 기법을 의미한다.
따라서, IEEE 802.11n 무선 랜 환경의 스테이션(station, STA)과 액세스 포인트(access point, AP)는 각각 복수의 안테나를 구비하며, 이와 같은 구성을 통해 기존의 버전들에 비해 물리 계층에서 더욱 향상된 데이터 전송률을 지원할 수 있게 되었다. 그러나 물리 계층에서의 성능 향상에도 불구하고 MAC(media access control) 계층의 프로토콜이 가지는 한계로 인해 전체적인 데이터 전송 스루풋을 향상시키는 데에 일정한 한계가 존재한다.
IEEE 802.11 MAC은 설계 및 구현의 용이성, 또는 무선 자원의 공평한 공유를 위해, 기본적으로 경쟁 기반(contention-based)의 DCF(distributed coordinate function) 방식을 채택하고 있다. DCF 방식에 의하면, 액세스 포인트로 데이터를 전송하는 복수의 스테이션은 데이터 프레임의 전송에 앞서 반송파(carrier)를 통해 데이터 송신 상태를 감지하여, 만약 타 스테이션으로부터의 데이터 송신이 감지되면 채널 상태를 비지(Busy) 상태로 인식하고 전송을 유예하고 기존 데이터 프레임의 성공, 실패에 따른 시간 이후에 새로운 채널 경합이 이루어지며, 채널이 다시 아이들(Idle) 상태로 돌아오면 소정 크기의 백오프 윈도우(back-off window) 범위 내에서 무작위로 선택된 백오프 시간(back-off time) 동안 프레임 전송을 대기하는 방식으로 복수의 스테이션이 무선 자원을 공유하도록 한다. DCF에 적용되는 이와 같은 충돌 회피 기법을 CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)라고 한다.
앞서 설명한 DCF는 백오프 시간을 무작위로 선택함으로써 복수의 스테이션이 동일한 시간 슬롯(time slot)에 데이터 프레임을 전송하지 않음으로써 충돌을 회피하는 방식이다. 그러나, 우연히 복수의 스테이션의 백오프 시간이 동일한 시간 슬롯에서 만료되어 프레임 전송을 시작하는 타이밍이 일치하게 되면, 상기 복수의 스테이션 간의 충돌로 인해 어느 스테이션으로부터 전송된 데이터도 액세스 포인트에서 정상적으로 수신되지 못한다. 따라서 이 경우, 액세스 포인트로부터 확인응답 신호를 수신하지 못한 상기 복수의 스테이션은 각각 백오프 시간을 다시 부여받아 해당 시간만큼 대기한 뒤에 프레임을 재전송한다.
하나의 액세스 포인트가 커버하는 스테이션의 수가 적을 때에는 충돌 확률이 낮기 때문에 프레임 재전송에 따르는 성능 저하가 큰 폭으로 나타나지 않지만, 스테이션의 수가 많아지면 충돌 확률이 증가하고, 이에 따른 데이터 전송 스루풋의 저하가 매우 크게 나타난다.
이에 본 발명에서는 MIMO 기술을 MAC 계층에 적용함으로써 상술한 충돌 문제를 해결하는 새로운 기술을 제안하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, MIMO 기술이 적용된 새로운 형태의 MAC 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 복수의 스테이션 간에 충돌이 발생하는 경우에 MIMO 복호화 기법을 적용하여 각 스테이션으로부터 데이터를 복호화함으로써 프레임 재전송에 따른 전체 무선 랜 시스템의 데이터 전송 스루풋 저하를 방지하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 복수의 스테이션 간의 충돌을 감지하는 방법으로서 직교 코드 또는 유사잡음 코드로 구성된 프리앰블을 이용하는 방법을 제안하고, 복수의 스테이션을 위한 프리앰블 관리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 충돌을 일으키는 복수의 스테이션 각각에 대해 적절한 형태의 피드백을 제공하기 위한 확인응답 신호의 새로운 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 액세스 포인트로부터 소정 시간 내에 확인응답 신호를 수 신하지 못하는 경우에 차회의 프레임 전송에 대한 충돌 확률을 낮추기 위해 백오프 윈도우의 크기를 증가시키는 기법을 제안하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 MIMO 복호화 기술을 이용하여 복수의 스테이션으로부터 동시에 전송된 데이터를 복호화하는 기능을 구비한 액세스 포인트 장치의 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 데이터 수신 방법은 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 시스템에서, 복수의 수신 안테나를 통해 적어도 하나의 스테이션으로부터 각각 프리앰블을 수신하는 단계, 수신된 프리앰블에 기초하여 스테이션과 액세스 포인트 간의 무선 채널을 추정하는 단계, 수신된 프리앰블에 기초하여 각각의 스테이션과 연관된 충돌을 감지하는 단계, 및 충돌이 감지된 경우에 무선 채널 추정치를 참조하여 각각의 스테이션으로부터 전송된 데이터를 복호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 데이터 전송 방법은 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 시스템에서, 무선 랜 시스템의 반송파를 통해 데이터 송신 상태를 감지하는 제1 단계, 적어도 하나의 타 스테이션으로부터 액세스 포인트로의 데이터 송신을 감지하는 경우에 소정 길이의 백오프 시간 동안 데이터 전송을 대기하는 제2 단계, 및 복수의 송신 안테나를 통하여 스테이션과 연관된 프리앰블을 포함하는 데이터 프레임을 액세스 포인트로 전송하는 제3 단계를 포함하고, 액세스 포인트로부터 소정 시간 이내에 확인응답 신호가 수신되지 않는 경우에 제1 단계 내지 제3 단계를 반복하여 수행하며, 상기 프리앰블은 직교 코드 또는 유사잡음 코드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 데이터 송수신 방법이 적용된 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 시스템에도 적용되는데, 본 측면에 따른 무선 랜 시스템은 복수의 수신 안테나를 구비한 액세스 포인트, 및 복수의 송신 안테나를 통해 액세스 포인트로 데이터를 전송하는 복수의 스테이션을 포함하고, 상기 복수의 스테이션 각각은 무선 랜 시스템의 반송파를 통해 타 스테이션으로부터의 데이터 송신을 감지하는 경우에, 소정 시간 대기후 상기 스테이션과 연관된 프리앰블을 포함하는 데이터 프레임을 전송하고, 상기 액세스 포인트는 복수의 스테이션으로부터 각각 수신된 복수의 프리앰블을 통해 충돌을 감지하는 경우에, 복수의 프리앰블에 기초하여 추정된 채널 값을 참조하여 복수의 스테이션으로부터 각각 전송된 데이터 프레임을 복호화하는 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 본 발명의 다른 측면에 따른 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 액세스 포인트 장치는 복수의 스테이션으로부터 각각 전송된 데이터 신호를 수신하는 무선 신호 처리부, 수신된 데이터 신호로부터 복수의 스테이션 각각에 대응하는 프리앰블을 추출하는 프리앰블 추출부, 추출된 복수의 프리앰블에 기초하여 복수의 스테이션과 연관된 채널을 추정하는 채널 추정부, 추출된 복수의 프리앰블에 기초하여 복수의 스테이션 상호간의 충돌을 감지하는 충돌 감지부, 및 충돌이 감지된 경우 채널 추정치에 기초하여 복수의 스테이션으로부터 각각 전송된 데이터 신호를 일괄적으로 또는 순차적으로 복호화하여 데이터 프레임을 검출하는 프레임 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 데이터 송수신 방법, 및 상기 방법이 적용된 다중입력 다중출력 무선 랜 시스템에 대해 설명하도록 한다. 참고로, 이하에서는 IEEE 802.11 표준에서 정의하는 DCF(Distributed Coordinate Function) 방식의 데이터 송수신 프로토콜에 기초하여 본 발명에 따른 데이터 송수신 방법을 설명하도록 한다. 따라서, 본 명세서에서 설명되지 않은 부분은 상기 DCF 방식에 정의되어 있는 바와 동일하거나 상응하는 것으로 해석될 수 있으며, 본 명세서의 설명이 IEEE 802.11 무선 랜 표준과 일치하지 않는 부분은 본 명세서의 설명을 따른다.
도 1은 본 발명에 다른 MIMO 기반의 무선 랜 시스템의 구성을 간략하게 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, MIMO 기반의 무선 랜 시스템은 일반적인 무선 랜 시스템과 마찬가지로 복수의 스테이션(110, 120), 그리고 상기 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 데이터를 수신하는 액세스 포인트(130)를 포함한다.
일반적인 무선 랜 시스템과의 차이점은, 각각의 스테이션(110, 120)이 복수의 송신 안테나(111, 112, 121, 122)를 구비하고, 액세스 포인트(130)가 복수의 수신 안테나(131, 132, 133, 134)를 구비한다는 점이다. 스테이션(110, 120)들은 복수의 송신 안테나(111, 112, 121,122)를 통해 각기 다른 경로로 데이터를 전송하고, 액세스 포인트(130)는 상이한 경로를 통해 전송된 신호를 복수의 수신 안테나(131, 132, 133, 134)를 통해 각각 수신할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 랜 시스템에서 스테이션(110, 120)은 DCF 방식에 따라 데이터를 전송한다. 따라서, 각 스테이션(110, 120)은 데이터 프레임 전송에 앞서, 무선 랜 시스템의 데이터 송수신에 사용되는 반송파를 통해 시스템의 데이터 송신 상태를 감지한다. 만약 타 스테이션이 액세스 포인트로 데이터를 송신중임이 감지되면, 스테이션(110, 120)은 상기 데이터 송신이 종료후 Idle 상태로 돌아온 후에 DIFS(DCF inter-frame space) 또는 EIFS(extended inter-frame space) 시간 후에 소정 백오프 시간만큼 대기한 뒤에 데이터 프레임을 전송한다. 이 때 전송되는 데이터 프레임은 액세스 포인트에서의 충돌 감지를 위해 각각의 스테이션(110, 120)과 연관된 프리앰블을 포함한다.
액세스 포인트(130)는 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 수신된 무선 신호로부터 각각 프리앰블을 추출하고, 추출된 프리앰블에 기초하여 상기 복수의 스테이션(110, 120)과 연관된 채널을 추정한다. 한편, 추출된 프리앰블은 충돌 감지에도 이용되는데, 액세스 포인트(130)는 동일한 시간 슬롯에 복수의 프리앰블이 수신된 경우 상기 복수의 스테이션(110, 120)이 동시에 데이터 프레임을 전송하였음을 감지하고, 이를 충돌로서 인식한다. 충돌이 감지된 경우, 액세스 포인트(130)는 추정된 채널 값을 참조하여 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 각각 전송된 데이터 프레임을 복호화(decoding)할 수 있다.
액세스 포인트(130)는 동시에 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 수신된 무선 신호로부터 데이터 프레임을 각각 복호화하기 위하여 MIMO 복호화 기법을 사용한다. 사용되는 복호화 기법의 예로는, 제로 포싱(Zero Forcing, 이하 “ZF”약 칭함) 기법, 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Square Error, 이하 “MMSE”약칭함) 기법, 최대 우도(Maximum Likelihood, 이하 “ML”약칭함) 기법, 연속 간섭 제거(Successive Interference Cancellation, 이하 “SIC”약칭함) 기법 등이 있다.
복수의 스테이션(110, 120)으로부터 데이터 프레임을 동시에 수신하는 구체적인 방법을 간단한 예를 통해 설명하도록 한다. 도 1에 도시된 것처럼 제1 스테이션(110)의 두 개의 송신 안테나(111, 112), 제2 스테이션(120)의 두 개의 송신 안테나(121, 122)를 통해 각각 액세스 포인트(130)로 전송되는 신호를 X1 ~ X4라 하고, 각각의 송신 안테나(111, 112, 121, 122)와 각각의 수신 안테나(131, 132, 133, 134) 간의 무선 채널을 h11 ~ h44의 채널 계수(channel coefficient)로 정의되는 채널 벡터 H로 표현할 때, 복수의 수신 안테나(131, 132, 133, 134)를 통해 수신되는 수신 신호 Y1 ~ Y4는 다음 수학식 1과 같이 표현된다.
[수학식 1]
Figure 112006072475870-pat00001
채널 벡터 H를 구성하는 각각의 채널 계수 h11 ~ h44는 상호간 독립 변수 관계에 있으므로, 각각 개별적으로 측정될 수 있다. 각각의 채널 계수는 각 송신 안테나(111, 112, 121, 122)로부터 각 수신 안테나(131, 132, 133, 134)로 송신되는 소정의 파일럿 신호를 통해 측정할 수 있다.
각 스테이션(110, 120)과 연관된 채널의 특성이 채널 벡터 H로 추정되면, 액세스 포인트(130)는 수신 신호 Y1 ~ Y4로 구성되는 수신 신호 행렬 Y에 채널 벡터 H의 역행렬을 곱함으로써 송신 신호 X1 ~ X4를 구할 수 있다. 채널 벡터 H는 복수의 스테이션이 보유한 송신 안테나(111, 112, 121, 122)의 총 개수가 m 개이고, 액세스 포인트가 보유한 수신 안테나(131, 132, 133, 134)의 개수가 n 개일 때, n x m 행렬로 표현된다. 따라서, 채널 벡터 H가 m = n인 정방 행렬 형태로 표현되지 않는 경우에는 일반적으로 역행렬을 구할 수 없지만, 이러한 경우에 유사역행렬(pseudo-inverse matrix)를 이용하면 수신 신호와 채널 벡터로부터 송신 신호를 구할 수 있다.
이처럼 복수의 스테이션(110, 120)의 충돌시에 데이터 복호화를 성공적으로 수행한 경우에, 액세스 포인트(130)는 충돌을 일으킨 각각의 스테이션(110, 120)으로 확인응답 신호(acknowledgment signal, 이하 "ACK"라 약칭함) 를 전송한다. 일반적으로, ACK는 짧은 길이의 프레임으로 구성될 수 있다. ACK의 구성에 대해서는 뒤에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
ACK는 스테이션(110, 120)으로부터 전송된 데이터 프레임이 액세스 포인트(130)에서 정상적으로 수신되었음을 다시 스테이션(110, 120) 측으로 통보하는 일종의 피드백 신호로서, 스테이션(110, 120)은 데이터 프레임 전송후 소정 시간 이내에 액세스 포인트(130)로부터 ACK를 수신하지 못하는 경우에, 상기 데이터 프 레임을 재전송하기 위해 백오프 시간을 다시 정하여 해당 백오프 시간만큼 대기한다. 상기 정해진 백오프 시간이 경과하면 스테이션(110, 120)은 데이터 프레임을 재전송한다. ACK 수신과 관련된 상기 동작은 일반적인 DCF 방식에 따른 것이다.
도 1에서는 각 스테이션이 복수의 안테나를 구비하고 있는 것으로 예시하고 있지만, 각 스테이션의 하나의 안테나를 구비하는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 그대로 적용될 수 있음은 자명하다.
도 2는 위와 같은 방식으로 동작하는 무선 랜 시스템의 데이터 전송 타이밍을 도시한 타이밍도이다. 도 2에서는 본 시스템에 대한 전체적인 이해를 돕기 위해 도 1의 제1 및 제2 스테이션(110, 120) 외에 제3 스테이션(210)의 존재를 가정하였다.
도 2는 제1 스테이션(110)과 제2 스테이션(120)이 동일한 타이밍에 백오프 시간(221)이 만료되는 경우를 예시한다. 따라서 제1 스테이션(110) 및 제2 스테이션(120)은 구간(222)에서 각자 데이터 프레임을 전송하고, 제3 스테이션(210)은 제1 스테이션(110) 및 제2 스테이션(120)이 데이터 전송을 시작한 이후에 반송파의 감지를 통하여 채널이 점유(Busy) 상태임을 인지한다.
도 2에서, 제1 스테이션(110)은 제2 스테이션(120)보다 프레임 전송이 일찍 완료된다. 따라서, 구간(223)에서 제2 스테이션(120)은 계속해서 데이터 프레임을 전송하지만, 제1 스테이션(110)은 제2 스테이션(120)으로부터의 데이터 송신을 감지하고 이 데이터에 대한 ACK를 기다리게 된다.
프레임 전송이 완료되면 제1 스테이션(110) 및 제2 스테이션(120)은 각각 액세스 포인트(130)로부터 SIFS(short inter-frame space) 경과 후 소정 시간 동안 ACK의 수신을 대기하는데, 도 2에서는 동시에 전송된 복수의 데이터 프레임이 액세스 포인트(130)에서 모두 정상적으로 수신되어 복호화에 성공했기 때문에 제1 스테이션(110)과 제2 스테이션(120) 모두 ACK를 수신한다. ACK를 수신한 제1 스테이션(110) 및 제2 스테이션(120)은 새로운 백오프 시간을 카운트하기에 앞서 DIFS(DCF inter-frame space) 시간만큼 대기한다. 한편, 제1 스테이션(110)과 제2 스테이션(120)에 대하여 SIFS, ACK 대기 시간, DIFS 구간이 경과하는 동안, 제3 스테이션(210)은 대응하는 EIFS(extended inter-frame space) 구간만큼 대기한다. 구간(224)에서의 이와 같은 동작은 일반적인 DCF 방식을 따른 것이다.
MAC 계층에서 MIMO 기술이 적용되지 않은 종래의 경쟁 기반 DCF에 의하면, 구간(222) 및 구간(223)을 통해 제1 스테이션(110) 및 제2 스테이션(120)으로부터 동시에 전송이 시작된 데이터 프레임 중 어느 것도 액세스 포인트(130)에서 정상적으로 수신되지 못한다. 따라서, 제1 스테이션(110)과 제2 스테이션(120) 모두 액세스 포인트(130)로부터 ACK를 수신하지 못하기 때문에 소정의 백오프 시간이 경과할 때까지 다시 대기하여 데이터 프레임을 재전송하게 된다. 이처럼 본 발명에 의하면 MIMO 복호화 기술을 이용하여 충돌이 발생한 경우에 수신 신호로부터 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 전송된 데이터 프레임을 모두 복호화함으로써, 프레임 재전송에 따른 스루풋 저하를 방지할 수 있다.
이어지는 도 3 및 도 4는 위에서 설명한 MIMO 기반의 무선 랜에서의 데이터 송수신 방법을 각각 수신측과 송신측의 관점에서 단계별로 도시한 흐름도이다.
먼저, 도 3은 적어도 하나의 스테이션(110, 120)으로부터 각각 전송된 데이터를 액세스 포인트(130)에서 수신하는 방법을 도시한다.
단계(S310)는 적어도 하나의 스테이션(110, 120)으로부터 각각 프리앰블을 수신하는 단계로서, 본 단계(S310)는 복수의 안테나(131, 132, 133, 134)를 통해 수신된 무선 신호로부터 프리앰블을 추출하는 세부 단계들을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 단계(S310)는 적어도 하나의 스테이션(110, 120)으로부터 각각 전송된 무선 신호를 수신하는 단계, 수신된 무선 신호를 소정의 프리앰블 코드들과 하나씩 상관 연산하여 상관값을 계산하는 단계, 및 계산된 상관값이 소정의 임계값을 초과하는 경우에 상기 상관 연산에 사용된 프리앰블 코드를 프리앰블로서 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
각각의 스테이션(110, 120)에 대해 개별적으로 부여되는 프리앰블은, 예컨대 전송되는 데이터 프레임의 선두에 위치할 수 있다. 상기 프리앰블은 상호간 직교성(orthogonality)이 보장되는 소정 길이의 직교 코드(orthogonal code), 또는 코드 분할 다중 접속(code division multiple access, CDMA) 방식의 이동통신 시스템에 사용되는 것과 유사한 형태의 유사잡음(pseudo-noise, PN) 코드를 포함할 수 있다. 이처럼 프리앰블이 직교 코드 또는 유사잡음 코드를 포함하도록 함으로써, 액세스 포인트(130)에서 중첩된 형태로 수신되는 복수의 프리앰블을 각각 추출할 수 있다.
액세스 포인트(130)에서 복수의 스테이션(110, 120)에 의한 충돌을 확실하게 감지하기 위해서는 각 스테이션(110, 120) 별로 언제나 상이한 프리앰블이 할당 되어야 한다. 즉, 프리앰블은 각 스테이션(110, 120)에 고유한 코드 패턴을 포함해야 한다. 그러나, 액세스 포인트(130)가 제공하는 통신 반경 내에 위치하게 될 스테이션(110, 120)의 수가 미리 결정되지 않은 상황에서 최악의 가능성을 고려하여 프리앰블 코드 풀(pool)을 항상 큰 크기로 유지하는 것은 구현 경제상 바람직하지 않다. 따라서, 각각의 스테이션(110, 120)에 부여될 수 있는 프리앰블들을 포함하는 프리앰블 코드 풀의 크기는 무선 랜 시스템과 관련된 여러 가지 변수를 고려하여 합리적인 수준으로 결정되어야 한다.
일실시예에 따르면, 각각의 스테이션(110, 120)은 일정한 크기의 프리앰블 코드 풀로부터 어느 하나의 코드를 임의로 선택할 수 있다. 이처럼 선택된 코드는 프리앰블에 포함되어 데이터 프레임 전송시 함께 전송된다.
다른 실시예에 따르면, 프리앰블 코드 풀은 액세스 포인트(130)에 의해 유지 및 관리되고, 액세스 포인트(130)는 상기 프리앰블 코드 풀에 포함된 복수의 프리앰블 코드 중에서 어느 하나를 선택하여, 선택된 코드를 액세스 포인트(130)가 제공하는 통신 반경 내에 위치하는 복수의 스테이션(110, 120) 각각에 대해 개별적으로 할당할 수 있다.
또 다른 실시예에 의하면, 상기 프리앰블은 복수의 스테이션(110, 120) 각각이 액세스 포인트(130)로 결합(association)을 수행하는 경우에 액세스 포인트(130)로부터 할당받을 수 있다.
다음으로, 단계(S320)는 단계(S310)에서 수신된 적어도 하나의 프리앰블에 기초하여 상기 적어도 하나의 스테이션(110, 120)과 액세스 포인트(130) 간의 무선 채널을 추정하는 단계이다. 본 단계(S320)에서는 각각의 스테이션(110, 120)으로부터 전송되는 파일럿 신호에 기초하여 상기 채널을 추정할 수 있다. 즉, 액세스 포인트(130)가 이미 그 패턴을 알고 있는 파일럿 신호에 대하여 원래의 신호와 수신된 신호를 비교하여 채널 특성을 추정하는 것이다. 이 때, 잡음에 의한 효과를 제거하기 위해 파일럿 신호를 복수 회 수신하거나, 일정 시간동안 계속하여 수신할 수 있다.
한편, 단계(S330)에서는 단계(S310)에서 수신된 프리앰블에 기초하여 적어도 하나의 스테이션(110, 120)과 연관된 충돌을 감지한다. 본 단계(S330)에서는 동일한 시간 슬롯에 복수의 프리앰블이 수신되는 경우에 상기 복수의 프리앰블 각각에 대응하는 스테이션(110, 120) 간에 충돌이 발생했음을 감지할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 각 스테이션(110, 120)에 부여되는 프리앰블은 상호간 직교성을 가지는 직교 코드 또는 유사잡음 코드이므로, 액세스 포인트(130)는 중첩되어 수신되는 복수의 프리앰블을 각각 수신할 수 있다. 따라서, 단계(S310)에서 N 개의 프리앰블이 수신되었다면 해당 시간 슬롯에 N 개의 스테이션이 동시에 데이터 프레임을 전송하였음을 의미한다. 단계(S330)에서는 N이 복수인 경우를 충돌로서 감지한다.
단계(S330)에 의해 충돌이 감지된 경우, 단계(S340)에서 액세스 포인트(130)는 무선 채널 추정치를 참조하여 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 수신된 무선 신호에 대해 MIMO 복호화 기법을 적용한다. 예를 들어, 액세스 포인트(130)는 수신된 무선 신호에 대하여 ZF, MMSE, 또는 ML 기법을 적용하여 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 각각 전송된 데이터 프레임을 복호화한다.
또는, SIC 기법이 적용될 수 있는데, 본 기법에 의하면, 복수의 채널 중 가장 양호한 특성을 가진 채널을 통해 수신된 데이터 프레임을 먼저 복호화하고, 복호화된 데이터 프레임에 대응하는 수신 신호를 역으로 추정하여 추정된 신호를 전체 무선 신호로부터 제거하는 과정을 단계적으로 반복한다. 이러한 과정을 통하여 가장 양호한 채널과 관련된 데이터 프레임부터 순차적으로 모든 프레임들이 하나씩 복호화된다.
만약 단계(S330)에 의해 충돌이 감지되지 않은 경우에는, 단계(S340)에 의한 MIMO 복호화 기법을 적용하지 않고, 단계(S350)에서 일반적인 데이터 복호화 기법을 통해 데이터 프레임을 추출한다. 즉, 충돌이 없는 경우에는 복수의 스테이션(110, 120) 중 하나로부터 단독으로 데이터 프레임이 전송되는 경우이므로, 일반적인 DCF 환경과 다르지 않기 때문이다.
앞서 설명한 일련의 단계들을 통해 복호화에 성공하게 되면, 액세스 포인트(360)는 데이터 프레임을 전송한 스테이션(110, 120)으로 ACK를 전송한다. 본 발명에 따르면 충돌이 발생하지 않는 경우뿐만 아니라 충돌이 발생하는 경우에도 데이터 복호화에 성공할 수 있다. 따라서, ACK는 충돌 감지 여부를 표시하는 정보를 포함할 수 있다. 예컨대, ACK는 충돌 감지 여부를 나타내는 하나 또는 두 개의 비트로 구성된 필드를 포함할 수 있다.
또한, 충돌이 감지됐지만 복호화에 성공한 경우에 ACK는 충돌하는 스테이션(110, 120)으로 전송되어야 하기 때문에, ACK는 각각의 스테이션(110, 120)과 연 관된 식별자(identifier)를 포함할 수 있다. 단계(S330)에서 충돌을 감지하기 위해 이용되는 프리앰블은 각각의 스테이션(110, 120)에 부여된 것으로서, 액세스 포인트(130)는 프리앰블을 이용하여 각각의 스테이션(110, 120)을 식별할 수 있다. 마찬가지로, 각각의 스테이션(110, 120)은 액세스 포인트(130)로부터 자신과 연관된 프리앰블의 인덱스를 포함하는 ACK를 수신함으로써, 자신이 전송한 데이터 프레임이 정상적으로 수신되었음을 확인할 수 있다. 즉, ACK는 수신된 프리앰블의 인덱스를 상기 식별자로서 포함할 수 있다.
한편, 복호화에 실패하게 되면, 단계(S361)에서 액세스 포인트(130)는 ACK 대기 시간이 경과할 때까지 스테이션(110, 120)으로 아무런 피드백을 전송하지 않거나, 또는 상기 대기 시간 내에 부정 확인응답 신호(negative acknowledgment signal, 이하 “NASK”라 약칭한다)를 전송한다. 후자의 경우, NACK도 ACK와 마찬가지로 복수의 스테이션(110, 120) 각각과 연관된 식별자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 데이터 수신 방법이 적용되는 MIMO 기반의 무선 랜 환경은 DCF 방식의 MAC 구조를 따른다. 따라서, 스테이션(110, 120)은 ACK 대기 시간 내에 액세스 포인트(130)로부터 ACK를 수신하지 못하면, 데이터 프레임을 재전송하기 위해 소정의 백오프 시간을 다시 부여받는다.
도 4는 본 발명에 따른 MIMO 기반 무선 랜 시스템의 각 스테이션(110, 120)으로부터 액세스 포인트(130)로 데이터 프레임을 전송하는 방법을 단계별로 도시한다.
도 4의 단계(S410)는 무선 랜 시스템에서 데이터 송수신에 사용되는 반송파 를 모니터링함으로써 상기 시스템의 데이터 송신 상태를 감지하는 단계이다. 보다 구체적으로, 데이터 프레임의 전송에 앞서, 단계(S410)에서 각 스테이션(110, 120)은 반송파의 움직임을 통해 부호화된 신호(encoded signal)가 타 스테이션으로부터 액세스 포인트(130)로 송신중인지 여부를 확인할 수 있다.
만약 단계(S410)에서 타 스테이션으로부터의 데이터 송신을 감지한 경우에, 단계(S420)에서 스테이션(110, 120)은 DCF 방식에 따라 소정의 백오프 시간이 경과할 때까지 데이터 전송을 대기한다.
다음으로, 단계(S420)은 타 스테이션으로부터의 데이터 송신이 감지된 경우 타 스테이션의 데이터 송신 완료 후 상기 새로 정해진 백오프 시간이 경과될 때까지 타 스테이션으로부터의 데이터 송신이 감지되지 않는 경우에 데이터 송신이 수행된다. 단계(S430)에서 스테이션(110, 120)은 복수의 송신 안테나를 통하여 자신과 연관된 프리앰블을 포함하는 데이터 프레임을 액세스 포인트(130)로 전송한다.
데이터 프레임에 포함되어 전송되는 프리앰블은, 앞서 설명한 바와 같이, 각각의 스테이션(110, 120)과 연관된 직교 코드 또는 유사잡음 코드를 포함할 수 있다. 프리앰블은 스테이션(110, 120)을 식별하는 역할을 수행하며, 액세스 포인트(130)에서 채널을 추정하고 충돌을 감지하는 데 이용되기도 한다. 프리앰블은 소정 크기의 프리앰블 코드 풀에 포함된 복수의 프리앰블 코드로부터 각 스테이션(110, 120)에 의해 임의로 선택될 수 있다. 이 때, 프리앰블 코드 풀은 액세스 포인트(130)에 의해 유지·관리되는 것이 일반적이나, 반드시 액세스 포인트(130)에 의해 관리되는 경우로 제한되는 것은 아니다. 또 달리, 프리앰블은 각 스테이 션(110, 120)이 액세스 포인트(130)에 대한 결합을 수행하는 과정에서 액세스 포인트(130)로부터 할당받을 수 있다. 이처럼 프리앰블을 선택하거나 또는 할당받는 단계는 앞서 설명한 단계(S410)에 앞서 수행될 수 있다.
데이터 프레임을 전송한 스테이션(110, 120)은 단계(S440)에서 소정의 ACK 대기 시간이 경과할 때까지 액세스 포인트(130)로부터 ACK를 수신하기 위해 대기한다. ACK 대기 시간 내에 ACK가 수신되는 경우, 다음 프레임의 전송을 위해 단계(S410)를 다시 수행하고, ACK가 수신되지 않는 경우, 다시 소정의 백오프 시간이 경과할 때까지 대기하여 데이터 프레임을 재전송하기 위해 단계(S410) 내지 단계(S440)을 다시 수행할 수 있다.
백오프 시간은 소정 크기의 백오프 윈도우 범위 내에서 무작위로(randomly) 선택될 수 있다. 백오프 윈도우의 크기는 충돌 발생 빈도에 따라 적응적으로 조정될 수 있다. 일례로서, ACK 대기 시간이 경과할 때까지 ACK가 수신되지 않는 경우에 백오프 윈도우의 크기를 증가시킴으로써, 확률적으로 백오프 시간이 더 크게 결정되도록 할 수 있다. 즉, 액세스 포인트(130)에서 데이터 프레임이 정상적으로 수신되지 않는 경우에 다음 번 백오프 시간이 더 크게 결정되도록 함으로써 충돌이 일어날 확률 자체를 낮출 수 있다.
요컨대, 본 발명은 CSMA/CA 기법을 이용하여 충돌 확률 자체를 낮추고, 그럼에도 불구하고 충돌이 발생하는 경우에는 MIMO 복호화 기술을 이용하여 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 동시에 전송된 데이터 프레임을 성공적으로 복호화하는 방법에 관한 것이다. 위에서 설명한 백오프 윈도우의 크기를 적응적으로 조절 하는 기법을 이용하면 충돌이 잦은 경우 충돌 확률을 더욱 낮춤으로써 본 발명에 따른 성능 향상 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 데이터 송수신 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합한 형태로 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 랜 액세스 포인트(130) 장치의 내부 구성을 도 시하는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 액세스 포인트(130) 장치는 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 각각 전송된 데이터 신호(511)를 수신하는 무선 신호(radio frequency signal) 처리부(510)를 포함한다. 데이터 신호(511)는 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 DCF 방식으로 전송된다.
무선 신호 처리부(510)에 의해 수신된, 각각의 스테이션(110, 120)과 연관된 데이터 신호(511)는 프리앰블 추출부(520)로 입력된다. 프리앰블 추출부(520)는 각각의 데이터 신호로부터 상기 각각의 스테이션(110, 120)에 대응하는 프리앰블(521)을 추출한다.
추출된 프리앰블(521)은 채널 추정부(530)로 입력되어 각각의 스테이션(110, 120)과 연관된 채널을 추정하는 데 이용되거나, 충돌 감지부(540)로 입력되어 복수의 스테이션(110, 120) 상호간의 충돌 여부를 감지하는 데 이용될 수 있다.
상기 프리앰블(521)에 기초하여 채널 추정부(530)에서 획득된 채널 추정치(531)는 프레임 검출부(550)로 입력된다. 프레임 검출부(550)는 충돌 감지부(540)에 의해 복수의 스테이션(110, 120) 간의 충돌이 감지되면 입력된 채널 추정치(531)에 기초하여 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 각각 전송된 데이터 신호를 일괄적으로 또는 순차적으로 복호화하여 복수의 스테이션(110, 120)과 연관된 데이터 프레임(551)을 검출한다.
프레임 검출부(550)는 ZF, MMSE, ML 기법과 같은 MIMO 복호화 기법을 적용 하여 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 동시에 전송된 복수의 데이터 프레임을 성공적으로 복호화할 수 있다.
한편, 프레임 검출부(550)는 SIC 기법을 이용하여 복수의 데이터 프레임에 대한 복호화를 수행할 수 있다. 도 6은 SIC 기법이 적용된 프레임 검출부(550)의 내부 구성을 보다 상세하게 도시한 블록도이다.
도 6의 복호부(610)는 복수의 데이터 신호(511) 각각에 대하여 복호화를 수행하여 복수의 스테이션(110, 120) 각각과 연관된 전송된 복수의 데이터 프레임을 추출한다.
프레임 선택부(620)는 먼저 채널 추정치(531)를 참조하여 복수의 스테이션(110, 120)과 각각 연관된 복수의 채널 중 가장 특성이 양호한 채널을 선택한다. 다음으로 프레임 선택부(620)는 선택된 채널을 통해 수신된 데이터 신호로부터 복호화된 데이터 프레임을 선택하여 출력한다.
선택된 데이터 프레임은 순환 중복 검사(cyclic redundancy check, 이하 “CRC”약칭함)부(630)로 입력된다. CRC를 거쳐 에러가 발견되지 않으면 검출된 데이터 프레임(551)으로 출력되는 동시에, 데이터 신호 추정부(640)로 입력된다. 데이터 신호 추정부(640)는 선택된 데이터 프레임(551)에 대해 무선 랜 시스템에 적용되는 변조 및 부호화 방법, 그리고 채널 추정치(531)를 적용하여, 상기 선택된 데이터 프레임(551)에 대응하는 데이터 신호(641)를 역으로 추정하여 생성한다.
마지막으로 가감산기(650)를 포함하는 것으로 도시된 간섭 제거부는 수신된 복수의 데이터 신호(511)로부터 역으로 추정된 데이터 신호(641)를 하나씩 제거하 여, 양호한 채널을 통해 수신된 데이터 프레임부터 양호하지 않은 채널을 통해 수신된 데이터 프레임까지 순차적으로 검출될 수 있도록 한다.
도 7은 도 6의 데이터 신호 추정부(640)의 내부 구성을 보다 상세히 도시한 블록도이다.
도 7의 데이터 신호 추정부(640)는 선택된 데이터 프레임(551)에 대하여 본 무선 랜 시스템에 적용되는 것과 동일한 방식 및 수준의 부호화를 수행하는 부호부(710)를 포함한다.
부호부(710)에 의해 다시 부호화된 데이터 프레임(711)은 변조부(720)로 입력되는데, 변조부(720)는 부호화된 데이터 프레임(711)에 대하여 본 무선 랜 시스템에 적용되는 것과 동일한 변조 방식을 적용하여 변조 신호(721)를 생성한다.
채널 특성 반영부(730)는 변조 신호(721)에 채널 추정치(531)를 반영하여, 선택된 데이터 프레임(551)이 복수의 스테이션(110, 120) 중 어느 하나로부터 무선 채널을 통해 전송되어 수신될 경우의 수신 데이터 신호(641)를 역으로 추정하여 생성한다.
위와 같은 구성을 통해 액세스 포인트(130) 장치는 복수의 스테이션(110, 120)으로부터 복수의 데이터 프레임이 동시에 전송되어 충돌이 발생하는 경우에도 이들 데이터 프레임을 성공적으로 복호화할 수 있다.
지금까지 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 무선 랜 액세스 포인트 장치의 구성에 대해 설명하였다. 본 액세스 포인트 장치에는 도 1 내지 도 4와 관련하여 다양한 실시예를 통하여 상술한 내용이 그대로 적용될 수 있으므로 더 이 상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 데이터 송수신 방법에 의한 데이터 전송 성능의 향상을 모의 실험을 통해 확인한 결과이다. 본 모의 실험은 IEEE 802.11a DCF 방식의 기본(basic) 모드에서 24 Mbps의 속도로 데이터를 전송하는 경우를 기준으로 수행되었다. 도 8 내지 도 10은 서로 다른 에러 환경에서 각각 사용자 수를 변화시켰을 때의 데이터 전송 스루풋의 측정값을 그래프 형태로 도시한다.
도 8은 에러가 없는 상황에서의 모의 실험 결과를 도시한다. 그래프(810)는 종래의 일반적인 DCF 방식의 MAC 구조와 MIMO 복호화 기법이 적용된 MAC 구조에서의 데이터 전송 스루풋을 비교하고 있다. 그래프(810)를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 데이터 송수신 방법은 종래의 방법에 비해 상당한 스루풋 향상을 가져오며, 그 향상의 정도는 사용자, 즉 액세스 포인트(130)에 접근하는 스테이션(110, 120)의 수가 증가할수록 더욱 크게 나타나고 있다. 사용자의 수가 50명인 경우에 8 Mpbs의 스루풋 향상 효과가 있다.
한편, 그래프(820)는 초 단위로 계산된 평균 접근 지연(mean access delay) 시간의 그래프이다. 사용자 수의 증가에 따라 평균 접근 지연 시간의 차이가 선형에 가까운 형태로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 사용자의 수가 50명인 경우에 약 0.01 s 만큼의 평균 접근 지연 시간이 감소한다.
도 9는 에러율 0.1의 지속적인 에러가 존재하는 경우의 모의 실험 결과를 스루풋 및 평균 접근 지연 시간의 측면에서 도시한 그래프들이다.
그래프(910)는 그래프(810)와 유사한 양상을 보이고 있는데, V- BLAST(vertical Bell Laboratories layered space time) 방식의 MIMO 복호화를 이용하는 경우가 ZF 기법을 이용하는 경우에 비해 성능이 약간 더 낫게 나타난다. 그러나 어떠한 기법을 적용하든 MIMO 복호화가 적용되지 않은 종래의 방법에 비해 큰 폭의 스루풋 향상이 있음을 볼 수 있다. 50명의 사용자를 기준으로 양자 모두 약 8 Mbps 가량의 스루풋 향상 효과가 나타난다.
그래프(920)에 도시된 평균 접근 지연 시간의 감소 양상도 그래프(820)에 나타난 양상과 거의 동일하다. 이 경우에도 V-BLAT를 적용하는 것이 미미하게나마 더 나은 성능을 보이는 것으로 나타났지만, 어느 기법을 적용하건 종래의 방법에 비해 평균 접근 지연 시간이 큰 폭으로 감소한다. 50명의 사용자를 기준으로 양자 모두 약 0.01 sec 가량의 평균 접근 지연 시간이 감소한다.
도 10은 에러율이 변동하는 경우의 모의 실험 결과이다. 그래프(1010)는 그래프(910)와 마찬가지로 종래의 방법, ZF 기법을 적용한 경우, 및 V-BLAST 기법을 적용한 경우의 스루풋을 비교하고 있다. 사용자의 수가 증가함에 따라 스루풋이 감소하는 경향을 보이기는 하지만, 종래의 방법에 대한 스루풋 상승 폭은 거의 일정하게 유지되고 있다. 사용자가 100명일 때를 기준으로 ZF 또는 V-BLAST 기법을 적용할 경우 종래의 데이터 송수신 방법에 비해 약 7.5 Mbps 만큼의 스루풋 향상 효과가 있다.
그래프(1020) 역시 그래프(820) 및 그래프(920)과 마찬가지로 사용자 수의 증가에 따라 평균 접근 지연 시간 감소 폭이 거의 선형적으로 증가한다. 사용자가 100 명일 때를 기준으로 ZF 또는 V-BLAST 기법을 적용한 데이터 송수신 방법이 종 래의 방법에 비해 평균 접근 지연 시간이 약 0.02 sec 감소한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따른 데이터 송수신 방법은 MIMO 기술을 물리 계층 뿐만 아니라 MAC 계층에 적용함으로써, 향상된 물리 계층의 데이터 전송률을 효과적으로 지원하는 MAC 구조를 지원할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 복수의 스테이션 간에 충돌이 발생하는 경우에 MIMO 복호화 기법을 적용하여 각 스테이션으로부터 데이터를 복호화함으로써 프레임 재전송에 따른 전체 무선 랜 시스템의 데이터 전송 스루풋 저하를 방지할 수 있다. 또한, 이에 따라 스루풋 저하에 의한 네트워크 접근 지연(access delay)을 경감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 직교 코드 또는 유사잡음 코드로 구성된 프리앰블을 이용하여 복수의 스테이션 간의 충돌을 감지할 수 있다. 이 때, 복수의 스테이 션 각각에 대응하는 프리앰블을 할당하는 다양한 방법이 본 명세서를 통해 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 확인응답 신호에 충돌 여부와 관련된 정보를 포함시킴으로써, 데이터 수신 실패 원인에 대한 보다 정확한 정보를 스테이션 측에 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 확인응답 신호에 충돌을 일으킨 각 스테이션과 연관된 식별자를 포함시킴으로써, 복수의 스테이션으로 각각 피드백을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 액세스 포인트로부터 소정 시간 내에 확인응답 신호를 수신하지 못하는 경우에 백오프 윈도우의 크기를 증가시킴으로써, 차회의 프레임 전송에 대한 충돌 확률을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 다양한 MIMO 복호화 기술을 이용하여 복수의 스테이션으로부터 동시에 전송된 데이터를 복호화하는 기능을 구비한 액세스 포인트 장치의 실질적인 구성을 제공할 수 있다.

Claims (35)

  1. 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 환경에서 적어도 하나의 스테이션으로부터 액세스 포인트로 각각 전송된 데이터를 수신하는 방법에 있어서,
    복수의 수신 안테나를 통해 적어도 하나의 스테이션으로부터 각각 프리앰블을 수신하는 단계;
    상기 수신된 적어도 하나의 프리앰블에 기초하여 상기 적어도 하나의 스테이션과 상기 액세스 포인트 간의 채널 계수를 측정하는 단계;
    단일한 시간 슬롯에 복수의 프리앰블이 수신되는 경우에 상기 복수의 프리앰블에 각각 대응하는 복수의 스테이션 간의 충돌을 감지하는 단계; 및
    상기 충돌이 감지된 경우에, 상기 측정된 채널 계수로 채널 벡터를 구성하고, 상기 구성된 채널 벡터를 이용하여 상기 복수의 스테이션으로부터 전송된 데이터를 각각 복호화하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 랜 환경은 DCF(distributed coordinate function) 방식의 MAC(media access control) 구조를 따르는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복호화하는 단계는 제로 포싱(Zero Forcing, ZF) 기법, 최소 평균 제 곱 오차(Minimum Mean Square Error, MMSE) 기법, 및 최대 우도(Maximum Likelihood, ML) 기법 중 적어도 하나에 기초하여 상기 데이터를 복호화하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복호화 기법은 연속 간섭 제거(Successive Interference Cancellation, SIC) 기법인 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 소정 길이의 직교 코드, 또는 유사잡음(pseudo-noise, PN) 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 상기 복수의 스테이션 각각에 대하여 고유한 코드 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 소정 크기의 프리앰블 코드 풀에 포함된 복수의 프리앰블 코드로부터 상기 복수의 스테이션 각각에 의해 임의로 선택된 프리앰블 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 상기 액세스 포인트에 의해 유지되는 프리앰블 코드 풀에 포함된 복수의 프리앰블 코드 중에서 선택되어 상기 복수의 스테이션 각각에 대해 개별적으로 할당되는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 상기 복수의 스테이션 각각이 상기 액세스 포인트에 대한 결합(association)을 수행하는 경우에 상기 액세스 포인트로부터 할당되는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블을 수신하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 스테이션으로부터 각각 전송된 무선 신호를 수신하는 단계;
    상기 무선 신호를 소정의 프리앰블 코드들과 하나씩 상관 연산하여 상관값을 계산하는 단계; 및
    상기 상관값이 소정의 임계값을 초과하는 경우에 상기 상관 연산에 사용된 프리앰블 코드를 상기 프리앰블로서 추출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 채널을 추정하는 단계는 상기 스테이션으로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 상기 채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 충돌이 감지된 경우에 상기 데이터 복호화에 성공하면 충돌하는 복수의 스테이션으로 각각 확인응답(acknowledgement, ACK) 신호를 전송하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 확인응답 신호는 상기 충돌하는 복수의 스테이션 각각과 연관된 식별자를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 식별자는 상기 충돌하는 복수의 스테이션 각각에 대응하는 프리앰블 인덱스를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 충돌이 감지되지 않은 경우에 상기 프리앰블과 연관된 스테이션이 전 송한 데이터를 복호화하는 단독 복호화 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 데이터 복호화에 성공하면 상기 스테이션으로 확인응답 신호를 전송하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  17. 제12항 또는 제16항에 있어서,
    상기 확인응답 신호는 상기 충돌 감지 여부를 표시하는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스테이션은 하나의 안테나를 구비한 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  19. 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 시스템에서 스테이션으로부터 액세스 포인트로 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    상기 스테이션이 상기 시스템의 반송파를 모니터링하여 상기 시스템의 데이터 송신 상태를 감지하는 제1 단계; 및
    적어도 하나의 타 스테이션으로부터 상기 액세스 포인트로의 데이터 송신을 감지하는 경우에 상기 액세스 포이트로부터 ACK를 수신한 후 소정의 백오프 시간 동안 상기 스테이션이 데이터 전송을 대기하는 제2 단계;
    상기 스테이션이 복수의 송신 안테나를 통하여 상기 스테이션과 연관된 프리앰블을 포함하는 데이터 프레임을 상기 액세스 포인트로 전송하는 제3 단계
    를 포함하고,
    상기 액세스 포인트로부터 소정 시간 이내에 확인응답 신호가 수신되지 않는 경우에, 상기 제1 내지 상기 제3 단계를 반복하여 수행하며,
    상기 프리앰블은 직교 코드 또는 유사잡음 코드를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    프리앰블 코드 풀에 포함된 복수의 프리앰블 코드로부터 상기 프리앰블을 임의로 선택하는 단계; 및
    상기 액세스 포인트에 대한 결합을 수행하는 과정 중에 상기 액세스 포인트로부터 상기 프리앰블을 할당받는 단계
    중 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 데이터 프레임을 전송하는 단계는 상기 타 스테이션으로부터의 데이터 송신이 감지되지 않는 경우, 또는 상기 백오프 시간이 경과한 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 백오프 시간은 소정 크기의 윈도우 범위 내에서 무작위로 선택되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 액세스 포인트로부터 소정 시간 이내에 확인응답 신호가 수신되지 않는 경우에, 상기 윈도우의 크기를 증가시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  24. 제1항 내지 제16항, 및 제18항 내지 제23항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  25. 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 시스템에 있어서,
    상기 시스템은 복수의 수신 안테나를 구비한 액세스 포인트, 및 복수의 송신 안테나를 통해 상기 액세스 포인트로 데이터를 전송하는 복수의 스테이션을 포함하고,
    상기 복수의 스테이션 각각은 상기 시스템의 반송파를 통해 타 스테이션으로부터의 데이터 송신을 감지하는 경우에, SIFS, ACK, DIFS(또는 EISF) 시간이 흐른 후에 소정 백오프 시간 대기후 상기 스테이션과 연관된 프리앰블을 포함하는 데이터 프레임을 전송하고,
    상기 액세스 포인트는 상기 복수의 스테이션으로부터 각각 수신된 복수의 프리앰블을 통해 충돌을 감지하는 경우에, 상기 복수의 프리앰블에 기초하여 측정된 채널 계수를 이용하여 상기 복수의 스테이션으로부터 각각 전송된 데이터 프레임을 복호화하는 것
    을 특징으로 하는 무선 랜 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 액세스 포인트는 제로 포싱 기법, 최소 평균 제곱 오차 기법, 최대 우도 기법, 및 연속 간섭 제거 기법 중 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 복수의 데이터 프레임을 복호화하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 시스템.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 액세스 포인트는 상기 데이터 프레임의 복호화에 성공하는 경우에 상기 데이터 프레임을 전송한 스테이션으로 확인응답 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 스테이션은 상기 데이터 프레임을 전송한 뒤에 상기 액세스 포인트로부터 소정 시간 내에 상기 확인응답 신호를 수신하지 못하는 경우, 소정 백오프 시간 경과 후에 상기 데이터 프레임을 재전송하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 시스템.
  29. 다중입력 다중출력 기반의 무선 랜 시스템을 위한 액세스 포인트 장치에 있어서,
    복수의 스테이션으로부터 각각 전송된 데이터 신호를 수신하는 무선 신호 처리부;
    상기 데이터 신호로부터 상기 복수의 스테이션 각각에 대응하는 프리앰블을 추출하는 프리앰블 추출부;
    상기 추출된 복수의 프리앰블에 기초하여 상기 복수의 스테이션과 연관된 채널을 추정하여 채널 추정치를 획득하는 채널 추정부;
    상기 추출된 복수의 프리앰블에 기초하여 상기 복수의 스테이션 상호간의 충돌을 감지하는 충돌 감지부; 및
    상기 충돌이 감지된 경우 상기 획득된 채널 추정치에 기초하여 상기 복수의 스테이션으로부터 각각 전송된 데이터 신호를 일괄적으로 또는 순차적으로 복호화하여 데이터 프레임을 검출하는 프레임 검출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 액세스 포인트 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 프레임 검출부는,
    상기 복수의 데이터 신호 각각에 대하여 복호화를 수행하여 상기 복수의 데이터 프레임을 추출하는 복호부;
    상기 채널 추정치를 참조하여 상기 복수의 데이터 프레임 중에서 어느 한 데이터 프레임을 선택하는 프레임 선택부;
    상기 채널 추정치를 이용하여 상기 선택된 데이터 프레임과 연관된 데이터 신호를 역으로 추정하는 데이터 신호 추정부; 및
    상기 복수의 데이터 신호로부터 상기 추정된 데이터 신호를 제거하는 간섭 제거부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 액세스 포인트 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 프레임 선택부는 상기 추정된 데이터 신호가 제거된 복수의 데이터 신호에 각각 대응하는 복수의 데이터 프레임 중에서 상기 데이터 프레임을 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 액세스 포인트 장치.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 프레임 검출부는,
    상기 선택된 데이터 프레임에 대하여 순환 중복 검사(Cyclic Redundancy Check, CRC)를 수행하는 순환 중복 검사부
    를 더 포함하고,
    상기 데이터 신호 추정부는 상기 순환 중복 검사 결과 에러가 발견되지 않은 데이터 프레임에 대하여 상기 역으로 추정된 데이터 신호를 생성하는 것
    을 특징으로 하는 무선 랜 액세스 포인트 장치.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 데이터 신호 추정부는,
    상기 선택된 데이터 프레임에 대하여 상기 무선 랜 시스템에 적용되는 방식의 부호화를 수행하는 부호부;
    상기 부호화된 데이터 프레임에 대하여 상기 무선 랜 시스템에 적용되는 변조 방식을 적용하여 변조 신호를 생성하는 변조부; 및
    상기 변조 신호에 상기 채널 추정치를 반영하여 상기 역으로 추정된 데이터 신호를 생성하는 채널 특성 반영부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 액세스 포인트 장치.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 프레임 검출부는 제로 포싱 기법, 최소 평균 제곱 오차 기법, 최대 우도 기법, 및 연속 간섭 제거 기법 중 적어도 하나 이상의 복호화 기법을 적용하여 상기 복수의 데이터 프레임을 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 액세스 포인트 장치.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 데이터 신호는 상기 복수의 스테이션으로부터 DCF 방식으로 전송되는 것을 특징으로 하는 무선 랜 액세스 포인트 장치.
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