KR101028707B1

KR101028707B1 - 무선 근거리 통신망용의 안테나 조향 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101028707B1
Application number: KR1020057005378A
Authority: KR
Inventors: 존 이 호프만; 조지 로드니 쥬니어 넬슨; 존 에이 레그니어; 케빈 피 존슨
Original assignee: 아이피알 라이센싱, 인코포레이티드
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2011-04-14
Also published as: KR20050073463A; AU2003282897A1; EP1554900B8; CN1685749A; DE60330615D1; NO20052105D0; EP1942555B1; EP2180738A2; ES2321707T3; ATE452438T1; WO2004030003A3; KR20070055632A; EP2180738A3; KR101028708B1; EP1554900B1; EP1942555A1; HK1081040A1; EP2180738B1; ATE422803T1; JP4520304B2

Abstract

스테이션 관리 엔티티(SME)는 802.11 프로토콜 시스템에서 접근점(AP)과 통신하도록 스테이션에 대하여 지향성 안테나를 조향한다. SME는 802.11 스테이션이 인증되고 접근점과 관련되기 전 또는 후에 안테나를 조향할 수 있다. 수동 스캔 중에 조향 처리는 이용 가능한 안테나 위치를 통하여 순환하고, 예를 들면 수신 신호 강도 표시(RSSI)에 기초하여 최상의 위치를 결정하기 위해 AP 비콘 신호를 모니터한다. 액세스 프로빙이 사용되는 능동 스캔 중에, 조향 처리는 안테나 위치를 통하여 순환하고, 최상의 안테나 위치를 결정하기 위해 프로브 응답을 모니터한다. 추가적인 스캔은 현재 선택된 안테나 위치의 수신 신호 레벨이 미리 정해진 임계치 아래로 떨어졌다는 결정에 기초하여 수행될 수 있다.

Description

무선 근거리 통신망용의 안테나 조향 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR ANTENNA STEERING FOR WLAN}

전기 전자 기술자(IEEE) 표준의 802.11 협회는 스테이션이 설비 내에서 이동되게 하는 명세서(specification)를 정의하고 유선 통신망에 접속된 접근점(AP)에 대한 고주파수(RF) 전송을 통하여 무선 근거리 통신망(WLAN)에 대한 접속 상태를 유지한다. 스테이션의 물리층 및 접근점은 통신을 위해 스테이션 및 접근점에서 사용되는 변조 및 시그널링 형태를 제어한다. 물리층 위에는 인증, 비인증(deauthentication), 프라이버시, 연합, 비연합(disassociation) 등의 서비스를 제공하는 매체 접근 제어(MAC)층이다.

동작에 있어서, 스테이션이 온라인으로 될 때, 스테이션의 물리층과 접근점은 먼저 서로간에 무선 통신망을 구축하고, 그 다음에 MAC층이 접근점을 통해 네트워크에 대한 액세스를 확립한다.

전형적으로 802.11 스테이션 및 접근점에서, 신호들은 단극(monopole) 안테나에 의해 송신 및 수신되는 RF 신호이다. 단극 안테나는 일반적으로 수평면 내의 모든 방향으로의 전송을 제공한다. 단극 안테나는 사이에 낀 벽, 책상, 사람들, 다중 경로, 노멀 페이딩, 레일레이(Rayleigh) 페이딩 등에 의해 야기된 라디오파 신 호의 반사 또는 회절과 같이, 스테이션과 접근점 사이에서 통신 품질을 감퇴시키는 영향을 받기 쉽다. 그 결과, 상기 영향에 의해 야기된 신호 감퇴를 완화시키기 위한 노력이 행하여지고 있다.

"안테나 다이버시티"라고 알려진 기술은 RF 신호의 감퇴를 저해한다. 안테나 다이버시티는 안테나 다이버시티 스위치를 통하여 송신기/수신기에 접속된 2개의 안테나를 사용한다. 안테나 다이버시티를 위하여 2개의 안테나를 사용하는 뒤의 이론은 임의의 주어진 시간에 2개의 안테나 중 한 개가 예컨대 다중 경로 페이딩의 효과에 의해 영향을 받지 않는 신호를 수신할 수 있다는 것이다. 2개의 안테나를 사용하는 시스템은 영향을 받지 않는 안테나를 안테나 다이버시티 스위치를 통하여 선택한다.

안테나 다이버시티 기술을 이용해서, 다중 경로 페이딩에 의해 야기된 신호 감퇴 또는 RF 신호 품질을 감소시키는 다른 효과들은 더 높은 강도의 RF 신호를 수신하는 다이버시티 안테나를 선택함으로써 개선될 수 있다. 그러나, 각각의 다이버시티 안테나는 전방향성 안테나(예를 들면 단극 안테나)이고, 따라서 안테나를 사용하는 시스템은 안테나를 간섭원으로부터 멀어지도록 조향하거나 하나의 전방향 안테나가 본래 제공하는 것 이상의 임의의 이득을 달성할 수 없다.

802.11 프로토콜을 이용하는 스테이션 또는 접근점이 시스템 성능을 개선하기 위해 지향성 안테나를 사용하는 것이 더 바람직하다.

따라서, 본 발명의 원리는 확장 서비스 세트(Extended Service Set: ESS) 네트워크 또는 무선 접근점을 가진 다른 네트워크 구조의 접근점(AP)과 통신하기 위해 스테이션용의 802.11 프로토콜 시스템의 지향성/다중 소자 안테나를 조향하기 위한 기술을 제공한다. 이 방법은 이 방법이 현행 802.11 프로토콜 내에서 달성될 수 있을 때 네트워크 효율의 충격을 최소화한다. 특별히 다르게 지정되지 않는 한, 여기에서 "802.11 프로토콜" 또는 "802.11 표준"이라고 언급하는 것은 802.11, 802.11a, 802.11b 및 802.11g 프로토콜 및 표준을 포함한다.

일 실시예에서, 이 기술은 802.11 스테이션이 인증되고 유선 통신망에 접속된 네트워크 접근점과 관련되기 전 및 후에 동작할 수 있다. 유선 통신망은 여기에서 분배 시스템과 상호 교환적으로 언급된다. 초기 안테나 스캔은 매체 접근 제어(MAC)층 내에서 달성되는 것으로 추정된다. 수동 스캔 중에, 조향 처리는 이용 가능한 안테나 위치들을 통하여 순환하고 최적의 안테나 포인팅 방향을 결정하기 위해 비콘(beacon) 신호 또는 다른 미리 정해진 신호와 관련된 신호 메트릭을 모니터한다. 액세스 프로빙이 사용되는 능동 스캔 중에, 처리는 안테나 위치들을 통하여 순환하고 최적의 안테나 위치를 결정하기 위해 프로브 응답 신호와 관련된 신호 메트릭을 모니터한다.

일단 스테이션이 인증되고 네트워크와 관련되면, 선택적으로, 수신 신호 레벨이 어떤 임계치 이하로 떨어졌다는 결정에 기초해서 추가의 스캔이 수행될 수 있다.

무선 근거리 통신망(WLAN) 환경 내의 지향성 안테나는 사용자에 대하여 개선된 범위 및 데이터율을 제공하고 네트워크에 대한 네트워크 효율을 증가시킨다.

본 발명의 전술한 및 다른 목적, 특징 및 장점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 양호한 실시예의 더 구체적인 설명으로부터 명백할 것이며, 첨부 도면에 있어서 전체 도면에 걸쳐서 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 나타낸다. 도면들은 본 발명의 원리를 설명하는 것 외에 정확한 규모 및 강조로 될 필요가 없다.

도 1a는 본 발명의 원리를 이용하는 무선 근거리 통신망(WLAN)의 개략도이다.

도 1b는 안테나 스캔을 수행하는 도 1a의 WLAN의 스테이션의 개략도이다.

도 2a는 외부 지향성 안테나 어레이를 가진 도 1a의 스테이션의 등척도이다.

도 2b는 내부 PCMIA 카드에 통합된 지향성 안테나 어레이를 가진 도 2a의 스테이션의 등척도이다.

도 3a는 도 2a의 지향성 안테나 어레이의 등척도이다.

도 3b는 도 3a의 지향성 안테나의 안테나 소자의 상태를 선택하기 위해 사용하는 스위치의 개략도이다.

도 4는 도 1a의 스테이션에 의해 사용되는 제1 처리의 흐름도이다.

도 5는 도 1a의 스테이션에 의해 사용되는 제2 처리의 흐름도이다.

도 6은 도 4 및 도 5의 처리에 의해 사용되는 수동 스캔 루틴의 흐름도이다.

도 7은 도 4 및 도 5의 처리에 의해 사용되는 능동 스캔 루틴의 흐름도이다.

도 8은 도 2a의 스테이션에서 실행하는 소프트웨어 및 하드웨어 소자를 나타내는 도면이다.

이하에서 본 발명의 양호한 실시예를 설명한다.

도 1a는 분배 시스템(105)을 가진 무선 근거리 통신망(WLAN)(100)의 블록도이다. 접근점(110a, 110b, 110c)은 유선 근거리 통신망(LAN)과 같은 유선 접속을 통해 분배 시스템(105)에 접속된다. 각각의 접근점(110)은 스테이션(120a, 120b, 120c)에 RF 신호를 전송하고 상기 스테이션으로부터 RF 신호를 수신할 수 있는 각각의 구역(115a, 115b, 115c)을 가지며, 상기 스테이션은 분배 시스템(105)에 접근하기 위해 무선 근거리 통신망(WLAN) 하드웨어 및 소프트웨어가 지원된다.

도 1b는 본 발명의 원리를 사용하는 제2 스테이션(120b)이 더 상세하게 도시된 네트워크(100)의 서브셋의 블록도이다. 제2 스테이션(120b)은 지향성 안테나 어레이로부터 지향성 안테나 로브(lobe)(130a-130i)(총칭적으로 로브(130)라고 함)를 발생한다. 지향성 안테나 어레이(directive antenna array)는 이 명세서에서 지향성 안테나(directional antenna)와 상호 교환적으로 언급된다. 도 2a를 참조하는 것에서부터 시작하여 상세히 설명하는 바와 같이, 제2 스테이션(120b)은 지향성 안테나 어레이를 사용하여 "최상"의 접근점(110a, 110b)에 대한 방향을 결정하도록 그 환경을 스캔한다.

스캔은 제2 스테이션(120b)이 접근점(110a, 110b)에 의해 방출된 비콘 신호(beacon signal)를 듣는 수동 모드에서 수행될 수 있다. 802.11 시스템에서, 비콘 신호는 일반적으로 100 msec마다 보내진다. 그래서, 9개의 안테나 로브(130)에 대하여 처리가 안테나 로브 방향을 통하여 순환하고 최상의 각도를 결정하는 데에 약 1초가 걸린다.

능동 스캔 모드에서, 제2 스테이션(120b)은 접근점(110a, 110b)에 프로브 신호를 보내고 프로브 신호에 대한 응답을 접근점(110a, 110b)으로부터 수신한다. 이 프로브 및 응답 처리는 각각의 안테나 스캔 각도에 대하여 반복될 수 있다.

계속하여 도 1b를 참조하면, 수동 스캔 또는 능동 스캔 중에, 제2 스테이션(120b)은 접근점(110)으로부터 신호의 조사시 RF 방송을 스캔하기 위해 지향성 안테나 어레이를 사용한다. 각각의 스캔 방향에서, 제2 스테이션(110b)은 수신한 비콘 신호 또는 프로브 응답을 측정하고, 그 스캔각에 대한 각각의 메트릭을 계산한다. 메트릭의 예는 수신 신호 강도 표시(RSSI), 캐리어 대 간섭비(C/I), 신호 대 잡음비(Eb/No), 또는 수신 신호 혹은 신호 환경의 품질에 대한 다른 적당한 측정치를 포함한다. 메트릭에 기초해서, 제2 스테이션(110b)은 접근점(110a, 110b)들 중 하나와의 통신을 위한 "최상"의 방향을 결정할 수 있다.

스캔은 제2 스테이션(110b)이 인증되고 분배 시스템(105)과 관련되기 전 또는 후에 발생할 수 있다. 따라서, 초기 안테나 스캔은 매체 접근 제어(MAC) 층 내에서 달성될 수 있다. 대안적으로, 초기 스캔은 MAC 층의 외부에서 달성될 수 있다. 이와 유사하게 제2 스테이션(110b)이 인증되고 분배 시스템(105)과 관련된 후에 발생하는 스캔은 MAC 층 내에서 달성되거나 또는 MAC 층의 외부에서 발생하는 처리에 의해 달성될 수 있다.

도 2a는 지향성 안테나 어레이(200a)가 설비된 제1 스테이션(120a)을 나타내는 도면이다. 이 실시예에서, 지향성 안테나 어레이(200a)는 제1 스테이션(120a)의 샤시의 외부에 있다.

지향성 안테나 어레이(200a)는 5개의 단극 수동 안테나 소자(205a, 205b, 205c, 205d, 205e)(총칭적으로 수동 안테나 소자(205)라고 함) 및 하나의 단극 능동 안테나 소자(206)를 포함한다. 지향성 안테나 소자(200a)는 유니버설 시스템 버스(USB) 포트(215)를 통해 제1 스테이션(120a)에 접속된다.

지향성 안테나 어레이(200a)의 수동 안테나 소자(205)는 능동 안테나 소자(206)에 기생적으로 결합되어 빔각 방향 변환을 용이하게 한다. 빔각 방향 변환에 의해 적어도 하나의 안테나 빔이 수동 안테나 소자(205)의 수와 관련된 증분으로 360°회전되게 할 수 있다. 완전한 360°보다 적은 회전 및 부증분(sub-incremental) 방향 변환이 또한 가능하다.

일부 실시예에서, 지향성 안테나 어레이(200a)는 전방향성 또는 실질적으로 전방향성 안테나 패턴(도시 생략)에 의해 정의된 전방향성 모드를 지원한다. 스테이션(120)은 전방향성 모드 대 방향성 모드의 현재 성능을 비교함으로써 전송 전 또는 사정(assess) 전에 캐리어 센스(Carrier Sense)에 대하여 전방향성 안테나 패턴을 이용할 수 있다. '애드 호크(ad hoc)' 네트워크에서, 스테이션(120)은 다른 스테이션(120)과의 통신이 임의의 방향에서 발생할 수 있기 때문에 단지 전방향성 안테나 구성으로만 되돌아갈 수 있다.

도 2b는 퍼스널 컴퓨터 메모리 카드 국제 연합(PCMCIA) 카드(220)에 전개된 지향성 안테나 어레이(200b)를 포함하는 제1 스테이션(120a)의 다른 실시예이다. PCMCIA 카드(220)는 전형적인 방법으로 제1 스테이션(120a)의 샤시에 배치된다. PCMCIA 카드(220)는 전형적인 컴퓨터 버스를 통해 제1 스테이션(120a)의 프로세서(도시 생략)와 통신한다. PCMCIA 카드(220)로서 전개된 지향성 안테나 어레이(200b)는 도 2a를 참조하여 위에서 설명한 독립형 지향성 안테나 어레이(200a)와 동일한 기능을 제공한다.

다른 각종 형태의 지향성 안테나를 사용할 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 예를 들면, 지향성 안테나 어레이(200b)는 복수의 수동 안테나 소자에 전자기적으로 결합된 하나의 능동 안테나 소자를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 지향성 안테나 어레이(200)는 다수의 능동 안테나 소자 및 다수의 수동 안테나 소자를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 지향성 안테나 어레이(200)는 다수의 능동 안테나 소자 및 단일의 수동 안테나 소자를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 지향성 안테나 어레이(200)는 모두 능동 안테나 소자를 포함할 수 있다.

도 3a는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 다수의 수동 안테나 소자(205) 및 하나의 능동 안테나 소자(206)를 포함하는 지향성 안테나 어레이(200a)의 상세도이다. 이 상세도에 도시되어 있는 바와 같이, 지향성 안테나 어레이(200a)는 수동 안테나 소자(206)가 전기적으로 접속되는 접지면(330)을 또한 포함할 수 있다.

동작시에, 지향성 안테나 어레이(200a)의 하나의 상태는 안테나 소자(205a, 205e)로부터 멀어지게 각이 진 지향성 안테나 로브(300)를 제공한다. 이것은 안테나 소자(205a, 205e)가 "반사" 모드에 있고, 안테나 소자(205b, 205c, 205d)가 "전송" 모드에 있음을 표시한다. 다시 말해서, 능동 안테나 소자(206)와 수동 안테나 소자(205)간의 상호 결합은 지향성 안테나 로브(300)의 방향을 제어하도록 수동 안테나 소자(205)의 모드 설정을 가능하게 한다. 이해하겠지만, 다른 모드 결합은 다른 안테나 로브(300) 패턴 및 각도를 야기한다.

도 3b는 반사 또는 전송 모드에서 수동 안테나 소자(205a)를 설정하기 위해 사용할 수 있는 예시적 회로의 개략도이다. 반사 모드는 대표적인 긴 점선(305)으로 표시되어 있고, 전송 모드는 짧은 점선(310)으로 표시되어 있다. 대표적인 점선(305, 310)은 수동 안테나 소자(205a)와 관련된 전기적 말단을 또한 나타낸다. 예를 들어서, 유도성 소자(320)를 통한 수동 안테나 소자(205a)와 접지면(330)의 전기적 접속은 수동 안테나 소자(205a)를 반사 모드로 설정하고, 용량성 소자(325)를 통한 수동 안테나 소자(205a)와 접지면(330)의 전기적 접속은 수동 안테나 소자(205a)를 전송 모드로 설정한다.

유도성 소자(320) 또는 용량성 소자(325), 또는 더 일반적으로 리액티브 소자를 통한 수동 안테나 소자(205a)의 전기적 접속은 스위치(315)에 의해 행하여질 수 있다. 스위치(315)는 수동 안테나 소자(205a)를 이 응용에 적합한 방법으로 접지면(330) 또는 리액티브 소자에 전기적으로 접속할 수 있는 기계적 또는 전기적 스위치일 수 있다. 스위치(315)는 전형적인 스위치 제어 방법으로 제어 신호(335)에 의해 설정된다.

도 3a의 지향성 안테나 어레이(205a)의 경우에, 수동 안테나 소자(205a, 205e)는 각각의 유도성 소자(320)를 통해 접지면(330)에 접속된다. 동시에, 도 3a의 예에서, 다른 수동 안테나 소자(205b, 205c, 205d)는 각각의 용량성 소자(325) 를 통해 접지면(330)에 전기적으로 접속된다. 모든 수동 소자(325)를 용량 결합하면 지향성 안테나 어레이(200a)가 전방향성 안테나 빔 패턴을 형성하게 된다.

수동 안테나 소자(205)와 접지면(330) 사이에서 지연 라인 및 총괄 임피던스와 같은 다른 전기적 단말 장치가 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

802.11 프로토콜 및 지향성 안테나 동작에 대하여 간단히 설명하였지만, 이하에서는 스테이션 관리 엔티티(SME) 및 802.11 프로토콜의 사용을 통한 지향성 안테나의 조향(steering)에 대하여 더 상세히 설명하겠다.

이제 도 8을 참조하면, SME(800), MAC 층(805) 및 물리(PHY)층(810)이 가끔은 802.11 스택이라고 부르는 일반화 구조로 도시되어 있다. 이 구성에서, SME(800)는 MAC 층(805) 및 PHY 층(810)과 통신 관계에 있다. SME(800)는 층과 무관한 엔티티이고, 별도의 관리 평면으로서 보여지거나 MAC 층(805) 및 PHY 층(810)으로부터 "측면 외부"에 존재할 수 있다. SME(800), MAC 층(805) 및 PHY 층(810)은 시스템 버스, 물리적 케이블 상호 접속, 또는 네트워크 접속과 같은 각종 매체를 통하여 통신할 수 있다. 예를 들면, SME(800)는 독립형 소프트웨어 애플리케이션 또는 위에서 설명한 바와 같이 스테이션(120a)으로서 사용되는 퍼스널 컴퓨터에서 실행하는 애플릿일 수 있다. MAC 층(805)과 PHY 층(810)은 스테이션(120a)에 설치된 플러그 인(plug-in) PCI 또는 PCMCIA 카드(220)에서 동작하는 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현될 수 있다. 이 실시예에서, MAC 층(805)과 PHY 층(810)은 802.11 표준에 따른 표준 프로토콜을 사용한다. 이 방법에서, SME(800)는 예를 들면 인터넷(도시 생략)상의 서버로부터 다운로드될 수 있고, 플러그 앤드 플레이(plug-and- play) 방법으로 MAC 층(805) 및 PHY 층(810)과 상호작용할 수 있다.

SME(800)는 지향성 안테나 어레이(205a)를 갱신하거나 다른 구성을 가진 안테나 어레이와 교환하기 쉽도록 가끔 부분적으로 또는 전체적으로 갱신될 수 있다. SME(800)는 인터페이스 드라이버(도시 생략)를 포함할 수 있다. 인터페이스 드라이버는 가끔 SME(800)의 일부로서 포함되고 가끔은 별도의 모듈로서 제공된다. 인터페이스 모듈은 안테나 제어기(815)에 명령어를 보내고 안테나 제어기(815)로부터 피드백을 수신할 수 있다. 명령어는 지향성 안테나 어레이(205a)가 "최상"의 접근점(110)을 찾을 때의 스캔 기간 중에 안테나 빔을 조향하게 한다.

802.11 표준에 따라서, MAC 층(805)은 지향성 안테나(205a) 또는 다른 형태의 안테나를 통하여 통신되는 RF 신호와 관련된, 신호 대 잡음비와 같은 신호 메트릭을 결정할 수 있다. MAC 층(805)은 PHY 층(810)을 사용하여 RF 신호를 기저 대역 신호로 및 그 반대로 변환한다. MAC 층(805)은 PHY 층(810)을 이용하여 신호 관련 파라메터, 예컨대 수신 신호 강도 표시(RSSI), 신호 품질(SQ) 및 표시된 데이터율을 제공할 수 있다. 그 다음에, MAC 층(805)은 하나의 안테나 빔 방향과 관련된 데이터 또는 다중 안테나 빔 방향과 관련된 데이터의 테이블의 형태로 SME(800)에 대한 메트릭을 제공할 수 있다. SME(800)는 MAC 층(805)이 명령어 또는 요구를 사용함으로써 메트릭을 제공하게 할 수 있다.

동작시에, SME(800)는 MAC 층(805)이 지향성 안테나 어레이(205a)의 각각의 빔 각도와 관련된 메트릭을 제공하게 할 수 있다. SME(800)는 상기 메트릭 및 미리 정해진 기준에 기초해서 지향성 안테나 어레이(205a)를 접근점(110)과 관련된 선택 된 방향으로 조향할 수 있다.

수동 스캔 실시예에서, MAC 층(805)은 각각의 빔 각도에서 지향성 안테나 어레이(205a)에 의한 수신 RF 에너지의 함수로서 메트릭을 결정하게 할 수 있다. 예를 들면, 메트릭은 제2 접근점(110b)으로부터 수신한 비콘 신호의 신호 강도에 비하여 제1 접근점(110a)으로부터 수신한 비콘 신호의 신호 강도가 더 높을 수 있다. 능동 스캔 실시예에서, SME(800)는 MAC 층(805)이 (i) 물리층(810)을 통해 신호를 적어도 하나의 접근점(110a, 110b 또는 110c)에 전송하게 하고 (ii) 접근점(110)으로부터의 응답을 측정하게 할 수 있다.

MAC 층(805)은 또한 이전에 계산된 또는 측정된 메트릭에 기초하여 SME(800)에 메트릭 또는 메트릭의 테이블을 제공할 수 있다. 예를 들어서, 주기적인 또는 이벤트 구동 이벤트는 MAC 층(805)이 메트릭을 결정하고 그 메트릭을 "필요할 때", "요구될 때" 또는 미리 규정된 것에 기초하여 SME(800)에 메트릭을 제공하게 할 수 있다. 스테이션(120a)은 접근점(110)을 통하여 분배 시스템과 연합될 수 있고, MAC 층(805)은 미리 선택된 방법으로 선택적으로 분배 시스템과 연합되기 전 또는 후에 SME(800)에 메트릭을 제공할 수 있다.

SME(800)는 안테나 제어기(815)에 대해 명령어를 발행할 수 있고, 안테나 제어기(815)는 제어 신호(820)를 지향성 안테나 어레이(205a)에 보낸다. 제어 신호(820)는 안테나 빔 각도를 변화시키는 지향성 안테나 어레이(200a)의 안테나 소자(205)와 관련된 리액턴스(320, 325)에 대한 접속 상태를 변화시킬 수 있다. SME(800)는 이 동작을 조정하여 MAC 층(805)이 안테나 빔 각도와 관련된 메트릭을 제공하게 한다. 예를 들면, SME(800)는 지향성 안테나 어레이(200)를 지령하여 그 안테나 빔을 스텝 앤드 홀드(step-and-hold) 방식으로 각도로부터 각도로 조향하게 하고, 한편 동시에 MAC 층(805)을 지령하여 메트릭이 각각의 안테나 빔 각도에서 각각의 접근점(110)과 관련될 때까지 대응하는 대기 및 측정(wait-and-measure) 방식으로 신호 강도를 측정하게 한다.

SME(800)는 상기 메트릭에 기초해서 접근점(110)과 관련된 방향으로 안테나 빔을 조향하도록 추가의 명령어를 안테나 제어기(815)에 발행할 수 있다. 예를 들면, 안테나 빔은 접근점(110a)을 향하여 직접 또는 동일한 접근점(110a)과 관련된 더 강한 다중 경로의 방향으로 지시하도록 조향될 수 있다. 이 방법으로, SME(800)는 스테이션(120a)을 선택된 접근점(110a)과 관련시키기 위한 최상의 경로를 사용할 수 있다.

SME(800)는 선택된 안테나 빔 방향이 아직 접근점(110a)과 통신하기 위한 가장 적당한 방향에 있는지를 결정하기 위해 미리 정해진 이벤트 구동형 또는 랜덤 베이시스로 지향성 안테나 어레이(205a)에 의해 전방향성 빔 각도를 자극(invoke)할 수 있다. 메트릭은 하나의 접근점(110a) 또는 다중 접근점(110a, 110b)에 대한 빔 각도에 대응할 수 있다.

연합되는 최상의 접근점(110)에 대한 스캐닝(즉, 조사)시에, SME(800)는 MAC 층(805)에 명령 또는 요구하여 다중 빔각 및 다중 비콘 신호에 대하여 메트릭을 복귀시키도록 한다. 다른 안테나 빔 방향이 개선된 통신 경로를 제공하는지 여부를 결정할 때, SME(800)는 리스캔(re-scan)을 수행할 수 있다. 리스캔은 유휴 기간( 즉, 데이터 전송 또는 수신이 발생하지 않는 기간) 중에 수행될 수 있고, 또는 리스캔은 비유휴 기간중에 "조직"(woven-in)될 수 있다. 이 경우에 비사용 또는 미리 규정된 오버헤드 비트 또는 바이트는 전송/수신 신호가 측정되게 하기 위하여 또는 프로브 요구를 전송하기 위하여 사용될 수 있다.

일 실시예에서, SME(800)는 (i) 미리 정해진 접근점에 대한 최상의 빔 방향 또는 (ii) 미리 정해지지 않은 접근점에 대한 최상의 빔 방향을 스캔할 수 있다. 어느 경우이든, SME(800)는 MAC 층(805)이 다중 빔각 및 적어도 하나의 비콘 신호에 대하여 메트릭 또는 메트릭의 테이블을 복귀시키게 (명령 또는 요구) 할 수 있다. 메트릭 또는 메트릭의 테이블에 기초하여 최상의 빔 방향을 선택한 후에, SME(800)는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 위에서 설명한 기술을 통하여 선택된 방향으로 지향성 안테나 어레이(205a)의 안테나 빔을 조향한다.

도 4는 WLAN(100)(도 1b)에서 사용하기 위하여 본 발명의 원리에 따라 스테이션(120)에서 실행되는 처리(400)의 흐름도이다. 처리(400)는 스테이션(120)의 프로세서에 의해 실행되는 SME(800) 명령어 서브셋의 실시예일 수 있다.

처리(400)는 스테이션(120)이 파워업되는 단계 405에서 시작한다. 단계 410에서, 스테이션(120)은 초기화 처리를 받는다. 스테이션 초기화(410) 다음의 몇몇 지점에서, 처리(400)는 MAC 및 802.11 프로토콜의 물리층과 통신하는 명령어들을 실행하는 루틴(411)으로 들어간다. 루틴(411)은 물리층과 첫번째(단계 413)로 및 MAC 층(417)과 두번째(단계 417)로 통신한다.

물리층 통신(단계 413)은 셋업(415)을 포함하고, 여기에서 초기화 및 통신 처리는 802.11 프로토콜의 물리층에서 발생한다. 물리층에서 발생하는 다른 처리는 이 스테이지의 처리(400)에서 또한 발생할 수 있다.

MAC 층 통신(단계 417)에서, 처리(400)는 "최상"의 안테나 포인팅 각을 결정하기 위해 수동 또는 능동 스캐닝이 스테이션(120)에 의해 사용되는지를 먼저 결정(단계 420)하는 것으로부터 진행된다. 만일 수동 스캐닝이 사용되면, 처리(400)는 수동 스캔 루틴(425)(도 6)으로 진행된다. 만일 능동 스캐닝이 사용되면, 처리(400)는 능동 스캔 루틴(430)(도 7)으로 진행된다. 수동 또는 능동 스캔 루틴 다음에, 처리(400)는 접근점(110)이 선택된 스캔 루틴(425 또는 435)에 의해 위치되었는지를 결정하는 단계로 진행된다(단계 435).

접근점(110)이 위치되지 않았으면, 처리(400)는 미리 정해진 타임아웃에 도달할 때까지 접근점(110)에 대하여 스캔을 계속하고(단계 420-430), 이 경우 전방향성 모드는 디폴트로서 사용된다. 접근점(110)이 위치되면, 처리(400)는 MAC 층(417)을 다시 사용하는 셋업 처리(단계 440)로 진행된다. 셋업 처리(단계 440)는 802.11 프로토콜에 의해 규정된 바와 같이 인증, 프라이버시, 연합 등을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 셋업(단계 440) 다음에, 처리(400)는 스테이션/분배 시스템 동작 처리(445)(도 5)로 진행한다.

도 5는 SME(800) 레벨의 스테이션(120)에서 실행되는 스테이션/분배 시스템 동작 처리(445)의 흐름도이다. 처리(445)는 스테이션(120a) 내에서 발생하는 전형적인 동작을 포함하고, 접근점(110)을 통해 스테이션(120a)과 분배 시스템(105) 사이의 인터페이스를 지원한다. 처리(445)는 또한 "최상"의 방향을 결정하기 위해 안 테나 빔 방향을 재할당할 수 있다. 안테나 빔 방향의 재할당은 (i) 주기적 기반으로, (ii) 수신 신호 또는 다른 신호 품질 메트릭의 레벨이 미리 정해진 임계치 아래로 떨어질 때, 또는 (iii) 다른 이벤트 구동 또는 비이벤트 구동 기준에 기초하여 수행될 수 있다. 여기에서 설명하는 예는 제1 스테이션(120a)에서 실행된 카운트다운 타이밍 모델에 기초한다.

도 5를 다시 참조하면, 처리(445)는 단계 505에서 시작한다. 단계 510에서, 처리(445)는 스테이션(120)이 아직 분배 시스템(105)에 접속되어 있는지에 대하여 결정한다. 스테이션(120a)이 접속되면, 그 다음에, 단계 515에서, 처리(445)는 수신 신호 레벨을 계산한다. 단계 520에서, 처리(445)는 신호 레벨이 미리 정해진 임계치 아래에 있는지 여부를 결정한다. 만일 신호가 미리 정해진 임계치 아래에 있지 않으면, 처리(445)는 단계 525로 진행하여 스테이션과 분배 시스템 동작이 계속된다.

단계 530에서, 처리(445)는 신호 레벨 카운트다운 타이머가 제로와 같은지를 결정한다. 만일 신호 레벨 카운트다운 타이머가 제로와 같으면, 처리(445)는 단계 510으로 되돌아가서 스테이션(120a)이 아직 각각의 접근점(110a)을 통하여 분배 시스템(105)에 접속되어 있는지를 결정한다. 만일 신호 레벨 카운트다운 타이머가 제로와 같지 않으면, 처리(445)는 단계 525로 진행한다. 카운트다운 타이머는 단계 510과 같이, 처리(445)의 적당한 단계에서 전형적인 방법으로 재초기화될 수 있다.

만일 신호 레벨이 단계 520에서 미리 정해진 임계치 아래에 있다고 결정되면, 처리(445)는 단계 535로 진행하여 수동 스캔 루틴(단계 425)(도 6) 또는 능동 스캔 루틴(단계 430)(도 7)을 실행한다. 하나의 루틴을 실행한 후에, 처리(445)는 단계 540으로 진행하여 스테이션(120)이 새로운 접근점(110)을 통하여 분배 시스템(105)에 접근하도록 선택되었는지가 결정된다. 접근점(110a)에 대하여 변화가 없으면, 처리(445)는 단계 525로 진행한다. 만일 새로운 접근점이 선택되었으면, 처리(445)는 단계 440으로 진행하여 인증, 프라이버시 및 연합 단계가 위에서 설명한 바와 같이 802.11 프로토콜의 MAC 레벨에서 수행된다.

만일 스테이션(120a)이 접근점(110)을 통하여 분배 시스템(105)에 더 이상 접속되어 있지 않으면(예를 들면, 사용자 지향 스테이션이 파워다운되거나 범위 외로 되는 것 등), 처리(445)는 단계 545로 진행하여 스테이션(120a)이 사용자에 의해 파워다운되었는지를 결정한다. 만일 스테이션(120a)이 파워다운되지 않았으면, 처리(445)는 단계 555로 진행하여 도 4의 물리층 셋업(단계 415)으로 복귀한다. 물리층 셋업(단계 415)으로의 복귀는 이 실시예에서 통신 에러 또는 범위 외 에러가 스테이션(120a)과 선택된 접근점(110) 사이의 통신을 인터럽트한다는 가정하에 발생한다. 만일 스테이션(120a)이 파워다운되면, 동작(445)은 단계 550으로 진행하여 전형적인 방법으로 스테이션(120a)을 파워다운한다.

도 6은 도 4에서 소개한 수동 스캔 루틴(425)의 흐름도이다. 수동 스캔 루틴(425)은 카운터(i)가 0으로 세트되는 단계 605에서 시작한다. 단계 610에서, 루틴(425)은 모든 안테나 각이 테스트되었는지를 결정한다. 만일 모든 안테나 각이 테스트되지 않았으면, 루틴(425)은 단계 615로 진행하여 스테이션(120a)이 각도 i에서 접근점 비콘 신호를 수신한다. 다시 말해서, 안테나 각은 비콘 신호를 듣기 위 해 각도 i로 설정된다. 단계 620에서, 비콘 신호가 측정된다. 단계 625에서, 수동 스캔 루틴(425)은 비콘 신호 메트릭을 계산한다. 단계 630에서, 카운터 i는 지향성 안테나 어레이(200a)(도 2)에 의해 지원되는 다음 각을 선택하기 위해 증분된다. 루틴(425)은 단계 610으로 진행하고, 모든 안테나 빔 각이 테스트될 때까지 반복된다.

모든 안테나 빔 각의 테스트 후에, 루틴(425)은 단계 635로 진행하고, 루틴(425)은 접근점(110)과 통신하는 "최상"의 각인 안테나 각을 선택한다. 각도의 선택은 RSSI, C/I, Eb/No를 포함한 임의 수의 기준 또는 이 기술 분야에서 일반적으로 알려진 다른 신호 품질 측정에 따라 행하여질 수 있다. 수동 스캔 루틴(425)은 계속된 처리를 위하여 단계 640에서 호출 루틴(도 4 또는 도 5)으로 복귀한다.

도 7은 도 4에서 소개한 능동 스캔 루틴(430)의 흐름도이다. 능동 스캔 루틴(430)은 단계 705에서 시작하고, 이 단계에서 카운터(i)는 0으로 설정된다. 단계 710에서, 루틴(430)은 모든 안테나 각이 테스트되었는지를 결정한다. 만일 테스트되지 않았으면, 루틴(430)은 단계 715로 진행한다.

단계 715에서, 루틴(430)은 지향성 안테나 어레이(200a)를 이용하여 RF 신호를 통해 프로브를 접근점(110)에 보낸다. 루틴(430)은, 단계 720에서, 접근점(110)으로부터 프로브 응답을 수신한다. 단계 725에서, 능동 스캔 루틴(430)은 프로브 응답을 측정한다. 단계 730에서, 능동 스캔 루틴(430)은 프로브 응답의 메트릭을 계산한다. 단계 735에서, 카운터(i)는 다음 안테나 각을 테스트하도록 증분된다.

모든 안테나 각에 대하여 처리를 반복한 후에, 단계 740에서, 능동 스캔 루 틴(430)은 스테이션(120a)과 접근점(110) 사이에서 최상의 또는 가장 적당한 신호 품질을 제공하는 안테나 각을 선택한다. 단계 745에서, 능동 스캔 루틴(430)은 도 4 또는 도 5의 호출 처리로 복귀한다.

전술한 실시예들을 실시하기 위해 사용되는 방법 및 장치는 802.11 네트워크 또는 블루투스 네트워크와 같은 다른 무선 네트워크에서 사용될 수 있다.

도 4 내지 도 8의 처리는 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에서 구현될 수 있다. 소프트웨어의 경우에, 소프트웨어는 ROM, RAM, CD-ROM 또는 자기 디스크와 같은 임의 유형의 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다. 기억 장치는 스테이션(120)에 대하여 로컬일 수 있고, 또는 접근점(110)을 통해 분배 시스템(105)과 같은 유선 또는 무선 네트워크를 거쳐 다운로드될 수 있다. 소프트웨어는 범용 프로세서 또는 특수 용도 프로세서에 의해 로드 또는 실행될 수 있다.

비록, 지금까지 양호한 실시예를 참조하여 특별히 도시하고 설명하였지만, 당업자라면 특허 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 그 형태 및 상세를 여러가지로 변경할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims

지향성 안테나를 동작시키기 위한 방법에 있어서,

복수의 안테나 각도 각각에 대한 메트릭들이 매체 접근 제어(MAC; medium access control) 층에서 계산되도록 하고;

상기 MAC 층과 분리된 스테이션 관리 엔티티(SME; station management entity)에 상기 메트릭들을 제공하고;

상기 SME로부터의 상기 메트릭들을 포함하는 입력에 기초하여, 접근점(access point)과 연관된 최상의 안테나 각도로 상기 안테나를 지향시키는 것을 포함하는 지향성 안테나 동작 방법.
제1항에 있어서,

각각의 안테나 각도에 대한 접근점 신호를 상기 MAC 층에서 수신하는 것을 더 포함하고, 상기 접근점 신호는 상기 메트릭들 각각을 계산하는데 사용되는 것인, 지향성 안테나 동작 방법.
제2항에 있어서,

상기 접근점 신호 각각은 각각의 접근점으로부터 수신되는 것인, 지향성 안테나 동작 방법.
제3항에 있어서,

상기 MAC 층에서 상기 최상의 안테나 각도와 연관된 상기 접근점에 액세스하는 것을 더 포함하는 지향성 안테나 동작 방법.
제2항에 있어서, 상기 접근점 신호는 비콘(beacon) 신호인 것인, 지향성 안테나 동작 방법.
제5항에 있어서, 상기 비콘 신호를 측정하는 것을 더 포함하는 지향성 안테나 동작 방법.
제6항에 있어서,

상기 최상의 안테나 각도는 상기 비콘 신호의 신호 품질 측정에 기초하는 것인, 지향성 안테나 동작 방법.
제7항에 있어서,

상기 신호 품질 측정은, 신호 대 잡음비(SNR; Signal-To-Noise Radio), 총잡음에 대한 에너지 퍼 비트(Eb/No; Energy-per-bit per total Noise), 수신 신호 강도 표시(RSSI; Received Signal Strength Indication), 및 캐리어 대 간섭비(C/I; Carrier-to-Interference Ratio) 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 지향성 안테나 동작 방법.
제1항에 있어서,

상기 MAC 층은 상기 안테나 각도에서 상기 지향성 안테나에 의해 수신되는 에너지의 함수로서 상기 메트릭들을 결정하는 것인, 지향성 안테나 동작 방법.
이동국(mobile station)에 있어서,

접근점과 연관된 최상의 안테나 각도로 지향성 안테나를 지향시키기 위한 스테이션 관리 엔티티(SME, Station Management Entity);

상기 SME의 요청시 복수의 안테나 각도 각각에 대해 최상의 각도를 결정하기 위하여 상기 SME에 의해 사용되는 메트릭들을 계산하는 매체 접근 제어(MAC) 층을 포함하고,

상기 MAC 층은 상기 SME의 외부에 존재하는 것인, 이동국.
제10항에 있어서,

상기 메트릭에 기초하여, 상기 SME로부터 입력을 수신하는 상기 지향성 안테나에 결합된 안테나 제어 유닛을 더 포함하는 이동국.
제11항에 있어서,

상기 MAC 층에 의해 상기 안테나 각도 각각에 대한 접근점 신호가 수신되고, 상기 접근점 신호는 상기 메트릭들 각각을 계산하기 위하여 상기 MAC 층에 의해 사용되는 것인, 이동국.
제11항에 있어서, 상기 SME는 상기 MAC 층으로 하여금 상기 메트릭들을 계산하게 하는 것인, 이동국.
제13항에 있어서,

상기 SME는 상기 MAC 층으로 하여금 상기 지향성 안테나에 의해 수신되는 에너지의 함수로서, 상기 안테나 각도 각각에 대한 메트릭들을 결정하게 하는 것인, 이동국.
제13항에 있어서,

상기 SME는 상기 MAC 층으로 하여금 상기 접근점에 신호를 전송하고, 상기 접근점으로부터의 응답을 측정하게 하는 것인, 이동국.
제12항에 있어서, 상기 접근점 신호는 비콘 신호인 것인, 이동국.
제16항에 있어서, 상기 비콘 신호를 측정하는 단계를 더 포함하는 이동국.
제17항에 있어서, 상기 최상의 안테나 각도는 상기 비콘 신호의 신호 품질 측정에 기초하는 것인, 이동국.
제18항에 있어서,

상기 신호 품질 측정은, 신호 대 잡음비(SNR), 총잡음에 대한 에너지 퍼 비트(Eb/No), 수신 신호 강도 표시(RSSI), 및 캐리어 대 간섭비(C/I) 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 이동국.
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