KR101279171B1 - Method and system for utilizing smart antennas establishing a backhaul network - Google Patents

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Abstract

노드들간에 미시지를 송신하는데 스마트 안테나를 이용하는 방법 및 시스템이 개시된다. 무선 통신 시스템은 다수의 노드들을 포함하고, 각 노드는 상호간 접속될 수 있다. 노드들의 적어도 일부에는 다수의 지향성 빔들을 발생시키도록 구성되는 스마트 안테나가 제공된다. 각 노드는 다른 노드들의 리스트 및 다른 노드들에 메시지들을 송신하는데 이용될 빔 구성 정보를 유지한다. 소스 노드가 타겟 노드에 송신하도록 요구될 때, 소스 노드는 빔 구성 정보를 검색하고 타겟 노드로 향한 지향성 빔으로 송신한다.A method and system are disclosed that use a smart antenna to transmit messages between nodes. The wireless communication system includes a plurality of nodes, and each node may be connected to each other. At least some of the nodes are provided with a smart antenna configured to generate a plurality of directional beams. Each node maintains a list of other nodes and beam configuration information to be used to send messages to other nodes. When the source node is required to transmit to the target node, the source node retrieves the beam configuration information and transmits in the directional beam directed to the target node.

Description

스마트 안테나를 이용하여 백홀 네트워크를 설정하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR UTILIZING SMART ANTENNAS ESTABLISHING A BACKHAUL NETWORK}METHOD AND SYSTEM FOR UTILIZING SMART ANTENNAS ESTABLISHING A BACKHAUL NETWORK}

도 1은 본 발명에 따른 다수의 노드들의 네트워크의 블록 다이어그램이다.1 is a block diagram of a network of multiple nodes in accordance with the present invention.

도 2는 본 발명에 따라 이루어진 노드의 블록 다이어그램이다.2 is a block diagram of a node made in accordance with the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 노드들간 메시지 전송에 있어 스마트 안테나를 이용하는 프로세스의 흐름도이다.3 is a flow diagram of a process using a smart antenna in message transmission between nodes in accordance with the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 노드에 의해 발생되는 빔 패턴의 예의 다이어그램이다.4 is a diagram of an example of a beam pattern generated by a node in accordance with the present invention.

본 발명은 무선 통신에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 백홀 네트워크를 설정함에 있어 스마트 안테나를 이용하는 방법 및 시스템이다.The present invention relates to wireless communications. More specifically, the present invention is a method and system for using a smart antenna in establishing a backhaul network.

무선 통신 시스템에 있어서 가장 중요한 이슈 중 하나는 간섭을 감소시킴으로써 시스템의 용량을 증가시키는 것이다. 어레이(array) 안테나(또는 스마트 안테나로 알려져 있음)는 용량을 개선시키고 간섭을 감소시키기 위해 개발되었다. 스마트 안테나는 다수의 안테나 소자들을 이용하여 방위각의 특정 방향을 향해서만 신 호들을 방사하는 지향성 빔을 발생시키며, 특정 방향으로부터 송신된 신호들을 선택적으로 검출한다. 스마트 안테나의 경우, 신호들이 커버리지 영역의 좁은 영역에 방사되기 때문에 무선 통신 시스템의 용량을 증가시키고 간섭을 감소시킬 수 있다. 이는, 송신기가 무선 송/수신 유닛(WTRU) 및 기지국과 같은 다른 송신기 및 수신기에 과도한 간섭을 유발하지 않고 지향성 빔의 송신 전력 레벨을 증가시킬 수 있으므로, 전체적인 시스템 용량을 증가시킨다.One of the most important issues in wireless communication systems is to increase the capacity of the system by reducing interference. Array antennas (also known as smart antennas) have been developed to improve capacity and reduce interference. The smart antenna uses a plurality of antenna elements to generate a directional beam that emits signals only in a specific direction of azimuth, and selectively detects signals transmitted from the specific direction. In the case of a smart antenna, signals are radiated in a narrow area of the coverage area, thereby increasing the capacity of the wireless communication system and reducing interference. This increases the overall system capacity since the transmitter can increase the transmit power level of the directional beam without causing excessive interference to other transmitters and receivers, such as wireless transmit / receive units (WTRUs) and base stations.

무선 통신 시스템은 일반적으로 기지국 및 무선 네트워크 제어기 등과 같은 다수의 노드들을 포함한다. 노드들은 통상적으로 메쉬(mesh) 네트워크 또는 셀룰러 네트워크와 같은 유선 접속으로 서로에 접속된다. 노드들은 서로 통신하며 백홀(backhaul) 메시지와 같은 메시지를 송신한다.A wireless communication system generally includes a number of nodes, such as a base station and a wireless network controller. Nodes are typically connected to each other in a wired connection such as a mesh network or a cellular network. The nodes communicate with each other and send a message, such as a backhaul message.

그러나, 유선 접속은 고가이고, 많은 시간을 요하며, 네트워크의 변형 또는 변화에 유연하지 않아, 백홀 네트워크를 설정하는데 유선 접속으로는 불리하다. 특히, 메쉬 네트워킹은 노드들이 서로 접속될 것을 요한다. 새로운 노드가 메쉬 네트워크에 부가될 때, 백홀을 위해 새로운 노드에 새로운 접속을 설정하는데 (비용 및 시간 양자 측면에서) 큰 부담이 된다.However, wired connections are expensive, time consuming, and inflexible to modifications or changes in the network, which is disadvantageous for wired connections in setting up a backhaul network. In particular, mesh networking requires nodes to be connected to each other. When a new node is added to the mesh network, it becomes a heavy burden (both in terms of cost and time) to establish a new connection to the new node for backhaul.

그러므로, 백홀 네트워크를 설정하는데 비용 효율적이고, 시간이 덜 소모되며, 유연한 방법 및 시스템에 대한 필요성이 제기된다.Therefore, there is a need for a cost-effective, less time-consuming, and flexible method and system for establishing a backhaul network.

본 발명은 백홀 네트워크를 설정함에 있어 스마트 안테나를 이용하는 방법 및 시스템이다. 본 발명은 셀 내(in-cell) 통신을 개선시키고, 처리량을 증가시키며, 백홀 데이터를 전달하는 유연한 백홀 네트워크의 적어도 일부분을 형성하기 위해 스마트 안테나를 내부에서 이용하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 다수의 노드를 포함하는 무선 통신 시스템에서 구현되며, 각 노드는 메쉬 네트워크에서 서로 접속된다. 노드들의 적어도 일부분에는 다수의 지향성 빔을 발생시키도록 구성되는 하나 이상의 스마트 안테나가 제공된다. 하나 이상의 스마트 안테나를 구비하는 각 노드는 스마트 안테나들을 구비하는 다른 노드들의 리스트와 이러한 다른 노드들에 메시지를 송신하는데 이용될 빔 방향 및 구성 정보를 유지한다. 타겟 노드에 백홀 데이터를 송신하는데 소스 노드가 요구될 때, 소스 노드는 타겟 노드에 대한 빔 방향 및 구성 정보를 검색하고 타겟 노드를 향한 지향성 빔으로 메시지를 송신한다.The present invention is a method and system for using a smart antenna in establishing a backhaul network. The present invention relates to the use of smart antennas internally to form at least a portion of a flexible backhaul network that improves in-cell communication, increases throughput, and carries backhaul data. The present invention is implemented in a wireless communication system including a plurality of nodes, each node being connected to each other in a mesh network. At least some of the nodes are provided with one or more smart antennas configured to generate multiple directional beams. Each node with one or more smart antennas maintains a list of other nodes with smart antennas and beam direction and configuration information to be used to send messages to these other nodes. When a source node is required to send backhaul data to the target node, the source node retrieves beam direction and configuration information for the target node and transmits a message with a directional beam towards the target node.

본 발명은 범용 모바일 원격 통신 시스템(UMTS), CDMA2000, 일반적으로 CDMA, 모바일 통신용 글로벌 시스템(GSM), 범용 패킷 무선 시스템(GPRS), 및 GSM 진화를 위한 향상된 데이터 레이트(EDGE)에 적용되는 시분할 이중화(TDD), 주파수 분할 이중화(FDD), 및 시분할 동기 코드 분할 다중 접속(TD-SCDMA)을 포함하는 임의의 무선 통신 시스템에 적용 가능하나, 이에 한정되지 않는다.The present invention applies to time-division duplication applied to Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), CDMA2000, generally CDMA, Global System for Mobile Communications (GSM), Universal Packet Radio System (GPRS), and Enhanced Data Rate (EDGE) for GSM evolution. (TDD), frequency division duplication (FDD), and time division sync code division multiple access (TD-SCDMA), but are not limited to any wireless communication system.

이하에서, "WTRU"라는 용어는 사용자 장치, 모바일 지국, 고정 또는 모바일 가입자 유닛, 페이저, 또는 무선 환경에서 동작할 수 있는 임의의 다른 유형의 장치를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 이하에서 언급될 때, "node"라는 용어는 기지국, 노드-B, 사이트 제어기, 접속 포인트 또는 무선 환경에서의 임의의 다른 유형의 인터페이싱 장치를 포함하나 이에 한정되지 않는다.In the following, the term "WTRU" includes but is not limited to a user device, mobile station, fixed or mobile subscriber unit, pager, or any other type of device capable of operating in a wireless environment. As mentioned below, the term "node" includes, but is not limited to, a base station, a Node-B, a site controller, an access point, or any other type of interfacing device in a wireless environment.

도 1은 본 발명에 따른 다수의 노드(102a-n)의 네트워크(100)의 블록 다이어그램이다. 노드들 중 적어도 하나(102n로 도식적으로 도시됨)는 코어 네트워크(110)에 접속된다. 무선 통신 시스템의 코어 네트워크의 동작은 당업자에게 잘 알려져 있으며 본 발명에 중심적인 것이 아니다. 따라서 코어 네트워크(110)는 상세히 설명하지 않을 것이다.1 is a block diagram of a network 100 of multiple nodes 102a-n in accordance with the present invention. At least one of the nodes (shown diagrammatically 102n) is connected to the core network 110. Operation of the core network of a wireless communication system is well known to those skilled in the art and is not central to the invention. Therefore, the core network 110 will not be described in detail.

각 노드(102a-n)는 노드(102a-n)의 커버리지 영역 내에 위치하는 하나 이상의 WTRU(도시되지 않음)을 서빙한다. 네트워크(100)는 메쉬 네트워크 또는 셀룰러 네트워크일 수 있다. 본 발명의 문맥에서, 메쉬 네트워크 및 셀룰러 네트워크 양자 모두 백홀 정보를 송신하지만, 기본적인 차이가 있다. 셀룰러 네트워크는 통상적으로 고정 네트워크 인프라스트럭쳐을 구비하고 백홀 접속을 한다. 이러한 접속은 통상적으로 지점 대 지점이며 이들은 변하지 않는다. 하나의 노드는 네트워크의 또 다른 위치에 있는 또 다른 노드에, 단지 그 위치에만 백홀 데이터를 송신한다.Each node 102a-n serves one or more WTRUs (not shown) located within the coverage area of nodes 102a-n. The network 100 may be a mesh network or a cellular network. In the context of the present invention, both mesh networks and cellular networks transmit backhaul information, but there are fundamental differences. Cellular networks typically have a fixed network infrastructure and have backhaul connections. Such connections are typically point-to-point and they do not change. One node transmits backhaul data only to that other node in another location in the network.

메쉬 네트워크의 경우, 노드간 접속은 변하고, 따라서 백홀 데이터는 다른 라우팅을 위해 상이한 시간에 상이한 노드로 송신될 수 있다. 특히, 메쉬 네트워크의 경우, 백홀 접속이 시간에 따라 변할 수 있기 때문에, 스마트 안테나들을 조정하여 상이한 노드에 대한 접속이 다른 노드에 대한 부당한 간섭을 생성하지 않은 상태로 이루어질 수 있도록 하는 것이 중요하다.In the case of a mesh network, the inter-node connections change, so the backhaul data can be sent to different nodes at different times for different routing. In particular, for mesh networks, since backhaul connections may change over time, it is important to adjust the smart antennas so that connections to different nodes can be made without creating unreasonable interference to other nodes.

노드들(102a-n) 중 적어도 일부에는 적어도 하나의 스마트 안테나(이하에서 상술될 것이다)가 제공되며, WTRU에 대한 보통의 다운로드 송신 외에 다른 노드(102a-n)에 대한 백홀 데이터의 송신에 있어서 스마트 안테나를 이용하고, WTRU로 부터 수신을 업로드한다. 이러한 노드(102a-n)는 다수의 지향성 빔을 발생시키고 방위각에 있어 임의의 방향으로 빔을 조종할 수 있다.At least some of the nodes 102a-n are provided with at least one smart antenna (which will be described in detail below), and in the transmission of backhaul data to other nodes 102a-n in addition to the normal download transmission to the WTRU. Use a smart antenna and upload the reception from the WTRU. These nodes 102a-n can generate multiple directional beams and steer the beam in any direction in azimuth.

네트워크(100)는 스마트 안테나들을 이용하는, 무선 백홀 접속을 하는 노드뿐만 아니라 유선 접속을 하는 노드들을 포함할 것으로 예상된다. 스마트 안테나들을 이용하여 설정된 접속들은 재구성되어 상이한 노드들로 향하게 되므로, 시스템의 유연성을 증가시킨다. 그러나, 노드들 중 적어도 하나의 노드는 무선 노드들 그룹 및 본질적으로 유선인 코어 네트워크간에 접속을 제공하기 위해 코어 네트워크(110)에 대한 유선 접속 및 다른 노드들에 대한 무선 접속을 할 것이다. 노드들(102a-n) 중 적어도 일부에는 또한 유선 또는 전용 접속을 통해 백홀 정보를 송신하는 능력(capability)이 제공될 수 있다. 유선 및 무선 백홀 접속을 하는 노드(노드 102n으로 도시됨, 이하에서 하이브리드 노드로 언급됨)는 유선 코어 네트워크(110)에 대한 접속일 것이다. 다시 말하면, 노드들은 스마트 안테나의 도움으로 백홀 정보를 무선으로 송신하므로, 이러한 백홀 정보는 결과적으로 하이브리드 노드(102n)를 통해 코어 네트워크(110)로 라우트될 것이다. 그러므로, 하이브리드 노드(102n)는 백홀 정보를 수신하여 이를 무선 백홀 접속을 하는 노드들에 전송할 수 있는 한편, 백홀 정보를 수신하여 이를 코어 네트워크(110)에 전송할 수 있으며, 이로써 브릿지(bridge)를 형성할 수 있다.The network 100 is expected to include nodes with wired connections as well as nodes with wireless backhaul connections, using smart antennas. Connections established using smart antennas are reconfigured and directed to different nodes, thus increasing the flexibility of the system. However, at least one of the nodes will have a wired connection to the core network 110 and a wireless connection to other nodes to provide a connection between the group of wireless nodes and an essentially wired core network. At least some of the nodes 102a-n may also be provided with the capability to transmit backhaul information via a wired or dedicated connection. Nodes with wired and wireless backhaul connections (shown as node 102n, referred to hereinafter as hybrid nodes) will be connections to wired core network 110. In other words, since the nodes wirelessly transmit backhaul information with the aid of a smart antenna, this backhaul information will eventually be routed through the hybrid node 102n to the core network 110. Therefore, the hybrid node 102n may receive the backhaul information and transmit it to nodes making a wireless backhaul connection, while receiving the backhaul information and transmitting it to the core network 110, thereby forming a bridge. can do.

일실시예에서, 노드(102a-n)는 도 4에 도시되는 바와 같이 다수의 소정의 빔들(109a-h)을 구비하고, 송신 또는 수신을 지향하기 위해 다수의 빔들(109a-h) 중 하나를 선택한다. 도 4는 각 노드(102a-n)에 의해 발생될 수 있는 8개의 빔들을 방위각으로 도시한다. 도 4에 도시되는 빔들은 단지 일예로서 제공되며 임의의 수의 빔들, 빔 패턴, 또는 임의의 유형의 패턴이 구현될 수 있다.In one embodiment, nodes 102a-n have a number of predetermined beams 109a-h, as shown in FIG. 4, and one of the plurality of beams 109a-h for directing transmission or reception. Select. 4 shows eight beams that can be generated by each node 102a-n at an azimuth angle. The beams shown in FIG. 4 are provided only as an example and any number of beams, beam patterns, or any type of pattern can be implemented.

다른 실시예에서, 각 빔(109a-h)은 소정의 위치 집합으로부터 선택되기 보다는 실시간으로 발생되어 지향될 수 있다.In other embodiments, each beam 109a-h may be generated and directed in real time rather than selected from a set of positions.

노드(102a-n)는 시스템 용량, 데이터 처리량, 간섭 등에 관해 최고의 성능을 제공하는 빔(109a-h) 방향을 동적으로 선택하거나 다수의 이용 가능한 위치들 중에서 선택한다. 노드(102a-n)는 일반적으로 특정 위치에 고정된다. 그러므로, 일단 두개의 노드들(102a-n)간의 구성 및 빔(109a-h)이 설정되면, 방향 및 구성이 저장되어 이후 변화없이 이용될 수 있다. 각 노드(102a-n)는 다른 노드들(102a-n)에 접속하기 위해 하나 보다 많은 빔(109a-h)을 제공할 수 있으며, 이는 무선 환경 및 트래픽 부하가 장기간 변할 수 있기 때문이다. 그러므로, 각 노드(102a-n)는 무선 환경을 결정하기 위해 다른 노드들(102a-n)로부터 수신된 신호들을 모니터링하고, 시스템의 성능을 최적화하기 위해 빔 방향 및 신호 구성을 동적으로 조정한다.Nodes 102a-n dynamically select the beam 109a-h direction that provides the best performance with respect to system capacity, data throughput, interference, and the like, or select from among a number of available locations. Nodes 102a-n are generally fixed at a particular location. Therefore, once the configuration and beams 109a-h between the two nodes 102a-n are established, the direction and configuration can be stored and subsequently used without change. Each node 102a-n may provide more than one beam 109a-h to connect to other nodes 102a-n because the wireless environment and traffic load may change over time. Therefore, each node 102a-n monitors signals received from other nodes 102a-n to determine the wireless environment, and dynamically adjusts beam direction and signal configuration to optimize the performance of the system.

시스템의 동작의 일예는 다음과 같다: 노드(102a)와 같은 제1 선택된 노드가 빔을 발생시키고 이를 노드(102b)와 같은 또 다른 선택된 노드를 향해 조종한다. 이는 안테나 어레이 소자들에 인가되는 복소 가중치들을 조정함으로써 행해질 수 있으며, 이는 통상적으로 빔 형성 안테나 어레이들로 행해진다. 동시에, 노드(102a)는 노드(102b)에 대한 링크(A)의 품질을 측정한다. 링크(A)의 품질은 신호 대 잡음 비, 비트 또는 프레임 에러 레이트, 또는 몇몇 다른 측정 가능한 품질 표시자로 측정될 수 있다. 송신 노드(102a)는 가장 좋은 안테나 빔 방향, 이 경우 링크 품질을 최대화하기 위한 가장 좋은 가중치 조합을 찾아내고 링크 품질 측정치 및 대응하는 빔 방향 (가중치) 모두를 저장한다. 송신 노드(102a)는 근처에 있는 모든 노드들에 대해 이를 행하고 대응하는 품질 및 빔 정보를 저장한다.One example of the operation of the system is as follows: A first selected node, such as node 102a, generates a beam and steers it toward another selected node, such as node 102b. This can be done by adjusting the complex weights applied to the antenna array elements, which are typically done with beam forming antenna arrays. At the same time, node 102a measures the quality of link A to node 102b. The quality of the link A may be measured with a signal to noise ratio, bit or frame error rate, or some other measurable quality indicator. The transmitting node 102a finds the best antenna beam direction, in this case the best combination of weights to maximize link quality and stores both the link quality measurement and the corresponding beam direction (weighting). The transmitting node 102a does this for all nodes in the vicinity and stores the corresponding quality and beam information.

임의의 노드(102a-n)는 나머지 다른 노드들(102a-n)에 하나 이상의 빔들을 선택적으로 향하게 함으로써 다른 노드들(102a-n)에 유연하게 그리고 무선으로 접속 또는 접속 해제될 수 있다. 도 1에서, 제1 노드(102a)는 지향성 빔(A)을 이용하여 제2 노드(102b)에 메시지를 송신하고 지향성 빔(B)을 이용하여 제4 노드(102d)에 메시지를 송신한다. 지향성 빔들(A 및 B)은 독립적으로 제어되며 동시에 송신될 수 있다. 각 지향성 빔(A 및 B)은 단지 특정 방향으로만 방사되기 때문에, 다른 노드들(102a-n) 또는 WTRU에 과도한 간섭을 유발하지 않는다.Any node 102a-n may be flexibly and wirelessly connected or disconnected to other nodes 102a-n by selectively directing one or more beams to the other nodes 102a-n. In Figure 1, a first node 102a transmits a message to a second node 102b using a directional beam A and a message to a fourth node 102d using a directional beam B. [ The directional beams A and B can be controlled independently and transmitted simultaneously. Since each directional beam A and B emits only in a specific direction, it does not cause excessive interference to other nodes 102a-n or the WTRU.

도 2는 본 발명에 따른 노드(202)의 블록 다이어그램이다. 노드(202)는 스마트 안테나(204), 제어기(206), 메모리(208) 및 임의적인 유선 링크(210)를 포함한다. 유선 링크(210)는 코어 네트워크(110) 또는 또 다른 노드로의 링크일 수 있다. 노드(202)는 사용자 움직임, 무선 주파수 환경에 있어서의 변화 및 상호 채널 간섭과 함께 다중 경로에 적응하기 위해 신호 처리 알고리즘을 실행한다. 제어기(206)에 의해 실행되는 무선 자원 관리(RRM) 기능은 무선 자원이 노드(202)에서 어떻게 할당되어야 하는지 결정한다.2 is a block diagram of a node 202 in accordance with the present invention. Node 202 includes a smart antenna 204, a controller 206, a memory 208 and an optional wired link 210. The wired link 210 may be a link to the core network 110 or another node. Node 202 executes signal processing algorithms to adapt to multipath with user movement, changes in the radio frequency environment, and cross channel interference. The radio resource management (RRM) function executed by the controller 206 determines how radio resources should be allocated at the node 202.

스마트 안테나(204)는 다수의 안테나 소자들(도시되지 않음)을 포함하여 제어기(206)의 제어하에서 다수의 지향성 빔들을 발생시킬 수 있다. 각 빔들은 노드(202) 및 다른 노드들간의 무선 접속으로서 기능한다. 상술한 바와 같이, 노드 (202)는 통상적으로 특정 위치에 고정되어 있기 때문에, 두개의 노드들간의 빔 방향 및 구성은 미리 결정되고 메모리(208)에 저장될 수 있다. 메모리(208)는 다른 노드들의 리스트 및 이러한 다른 노드들 각각에 대한 빔 방향 및 구성을 유지한다. 노드(202)가 백홀 데이터와 같은 메시지를 또 다른 노드로 송신하도록 요구될 때, 제어기(206)는 메모리(208)로부터 대응하는 빔 방향 및 구성 정보를 검색하고 특정 방향으로 조종되는 지향성 빔을 발생시키며, 그 빔을 이용하여 메시지들을 송신한다.The smart antenna 204 can include multiple antenna elements (not shown) to generate multiple directional beams under the control of the controller 206. Each beam functions as a wireless connection between node 202 and other nodes. As discussed above, because node 202 is typically fixed at a particular location, the beam direction and configuration between the two nodes may be predetermined and stored in memory 208. The memory 208 maintains a list of other nodes and the beam direction and configuration for each of these other nodes. When node 202 is required to send a message, such as backhaul data, to another node, controller 206 retrieves corresponding beam direction and configuration information from memory 208 and generates a directional beam that is steered in a particular direction. And transmits messages using the beam.

하이브리드 노드(102n)의 경우, 스마트 안테나(204)의 도움으로 다른 노드들에 무선 접속을 설정함에 있어 이러한 프로세스가 선행된다. 하이브리드 노드(102n)가 코어 네트워크(110) 또는 또 다른 노드에 백홀 접속을 설정할 때, 유선 링크(210)는 물리적으로 고정되고 동일한 두개의 노드간에 항상 접속을 제공할 것이므로 구성 정보 또는 빔 선택이 없다.In the case of hybrid node 102n, this process is preceded in establishing a wireless connection to other nodes with the help of smart antenna 204. When the hybrid node 102n establishes a backhaul connection to the core network 110 or another node, there is no configuration information or beam selection since the wired link 210 will be physically fixed and always provide a connection between the same two nodes. .

본 발명에 따라, 스마트 안테나(204)는 바람직하게 다중 빔 능력(capability)을 구비하며, 각 빔은 독립적으로 이용될 수 있다. 노드(202)는 하나 보다 많은 지향성 빔을 발생시켜 동시에 다수의 다른 노드들에 백홀 데이터를 송신할 수 있다. 동일한 주파수는 동일한 커버리지 영역의 하나 보다 많은 지향성 빔에 대해 재사용될 수 있으므로, 시스템 용량은 실질적으로 증가된다.In accordance with the present invention, the smart antenna 204 preferably has multiple beam capability, with each beam being used independently. Node 202 may generate more than one directional beam to transmit backhaul data to multiple other nodes at the same time. Since the same frequency can be reused for more than one directional beam of the same coverage area, the system capacity is substantially increased.

몇몇 노드들은 몇몇 빔들과 함께 결합될 수 있다. 이는 접속을 변화시키고 무선 환경에서의 변화에 동적으로 적응하는 것을 편리하게 한다. 예를 들면, 두개의 빔들이 두개의 노드들간 접속에 대해 제공될 수 있다. 하나의 빔이 과도한 간섭 을 경험하는 경우, 노드들은 메시지 전송을 위해 또 다른 빔으로 스위칭할 수 있다.Some nodes may be combined with some beams. This makes it convenient to change the connection and dynamically adapt to changes in the wireless environment. For example, two beams may be provided for a connection between two nodes. If one beam experiences excessive interference, nodes can switch to another beam for message transmission.

스마트 안테나의 이용은 노드들간의 유연한 백홀 링크 형성을 가능하게 한다. 각 노드는 다수의 지향성 빔들을 발생시키도록 구성되고 방위각에 있어서 임의의 방향으로 지향성 빔들을 조종할 수 있으므로, 새로운 노드가 네트워크(100)에 부가될 때, 종래의 노드들은 새로운 노드로 지향된 새로운 빔 방향 및 구성을 단순히 설정함으로써 새로운 노드에 새로운 접속을 설정할 수 있다. 또한, 종래의 노드가 네트워크(100)로부터 제거될 때, 노드들은 메모리(208)로부터의 제거된 노드에 대한 빔 방향 및 구성 정보를 단순히 삭제할 수 있다. 본 발명은 추가적인 설치를 하거나 노드들간의 접속을 설정하거나 제거하는데 불필요한 설비들을 제거한다. 본 발명은 메쉬 네트워크 또는 셀룰러 네트워크 중 어느 하나에서 구현될 수 있음은 물론이다.The use of smart antennas allows for flexible backhaul link formation between nodes. Each node is configured to generate a plurality of directional beams and can steer the directional beams in any direction in azimuth, so when a new node is added to the network 100, the conventional nodes are directed to the new node. By simply setting the beam direction and configuration, a new connection can be established at the new node. Also, when a conventional node is removed from the network 100, the nodes can simply delete the beam direction and configuration information for the removed node from the memory 208. The present invention eliminates facilities that are not needed to make additional installations or to establish or remove connections between nodes. It goes without saying that the present invention can be implemented in either a mesh network or a cellular network.

메쉬 네트워킹의 강점 중 하나는 새로운 링크를 생성하고 트래픽 부하, 간섭, 및 개별 노드 성능을 포함하는 다수의 인자들에 의존하는 노드들간의 다른 링크들을 삭제하는 능력이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 다수의 노드들(102a-n)은 스마트 안테나들을 이용하여 서로 결합된다. 도 1의 노드들(102a-n)간의 라인들은 가능한 링크들(A-F)을 표시한다. 제어는 집중될 수 있으며, 이로써 적어도 하나의 노드는 제어 노드로서 기능하여 노드들간 접속을 제어하거나, 또는 분산될 수 있으며, 여기에서 제어는 몇몇 노드들 또는 모든 노드들에 걸쳐 분산된다. 하나의 노드가 제어 노드로서 지정되는 경우, 제어 노드는 각 노드의 트래픽 조건들 및 성능들 에 관한 정보를 수집하고, 하나의 노드로부터 또 다른 노드로 메시지를 전송하기 위해 가장 좋은 트래픽 라우트를 결정한다.One of the strengths of mesh networking is the ability to create new links and drop other links between nodes that depend on a number of factors including traffic load, interference, and individual node performance. As shown in FIG. 1, multiple nodes 102a-n are coupled to each other using smart antennas. Lines between nodes 102a-n in FIG. 1 indicate possible links A-F. Control can be centralized, whereby at least one node can function as a control node to control or distribute connections between nodes, where control is distributed across several nodes or all nodes. If one node is designated as the control node, the control node collects information about the traffic conditions and capabilities of each node and determines the best traffic route for sending messages from one node to another. .

각 노드(102a-n)는 바람직하게는 자신의 하나 이상의 빔 내의 하나 이상의 비콘(beacon) 신호들을 송신하며, 이는 네트워크 동작에 유용한 정보를 제공한다. 예를 들면, 비콘 신호들은 현재 전력 레벨, 트래픽 레벨, 간섭 레벨, 및 다른 파라미터들을 송신할 수 있다. 비콘 신호들은 또한 접속 우선 순위, 보안, 식별, 및 다른 변화하는 유형의 접속 제어 및 보안 제어 정보를 포함한다. 비콘 신호들은 주기적으로 또는 비주기적으로 측정되고, 파라미터들은 가장 효율적인 트래픽 라우트(route)를 발견하기 위해 노드들간에 접속을 조정하는 기초로 활용된다. 본 발명에 따른 스마트 안테나를 이용하여 무선으로 백홀 접속들 중 적어도 일부를 형성하는 것은 유연성을 허용하고 노드들간 접속을 설정하고 조정하는데 있어서의 불필요한 비용 및 시간을 감소시킨다.Each node 102a-n preferably transmits one or more beacon signals in its one or more beams, which provide useful information for network operation. For example, beacon signals may transmit current power level, traffic level, interference level, and other parameters. Beacon signals also include connection priority, security, identification, and other changing types of access control and security control information. Beacon signals are measured periodically or aperiodically, and parameters are used as the basis for coordinating connections between nodes to find the most efficient traffic route. Forming at least some of the backhaul connections wirelessly using the smart antenna according to the present invention allows flexibility and reduces unnecessary cost and time in establishing and coordinating connections between nodes.

예를 들면, 도 1에 도시되는 바와 같이, 제2 노드(102b) 및 제4 노드(102d)간의 트래픽 부하가 매우 큰 경우, 다른 노드들은, 이하에서 상세히 설명할 바와 같이 노드들(102b, d)의 비콘 신호들을 판독함으로써 두개의 노드들(102b, d)간의 트래픽 조건들을 인식한다. 제1 노드(102a)가 트래픽을 제5 노드(102e)로 라우트하는 경우, 가능하다면 제2 및 제4 노드(102b, d)를 회피할 것이고 다른 대안으로 N번째 노드(102n)를 통해 트래픽을 라우트할 것이다.For example, as shown in FIG. 1, if the traffic load between the second node 102b and the fourth node 102d is very large, the other nodes may be nodes 102b, d as described in detail below. The traffic conditions between the two nodes 102b, d are recognized by reading the beacon signals. If the first node 102a routes the traffic to the fifth node 102e, it will avoid the second and fourth nodes 102b, d if possible and alternatively direct traffic through the Nth node 102n. Will route.

본 발명은 유연한, 무선 메쉬 네트워크를 제공하는 이점을 가질뿐만 아니라, (통상 유선 라인을 통해 전송되는) 백홀 정보는 이제 스마트 안테나를 통해 동일한 유연한 링크들을 통해 전송될 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 유형의 공용 스마트 안테나 방식을 구현하면 현재의 무선 통신 시스템에 비해 상당한 이점을 얻을 수 있다.Not only does the present invention have the advantage of providing a flexible, wireless mesh network, the backhaul information (typically transmitted over a wired line) can now be transmitted over the same flexible links via a smart antenna. Implementing this type of common smart antenna scheme in accordance with the present invention provides significant advantages over current wireless communication systems.

도 3은 본 발명에 따른 노드들간의 메시지 전송에 있어 스마트 안테나들을 이용하는 프로세스(300)의 흐름도이다. 노드들 중 적어도 일부에는 적어도 하나의 스마트 안테나가 제공되며, 이는 다수의 지향성 빔들을 발생시키고 이후 방위각에 있어서 독립적으로 조종되도록 구성된다(단계 302). 각 빔은 WTRU로의 다운로드 및 WTRU로부터의 업로드의 보통의 트래픽 외에 다른 노드들에 대한 무선 접속으로서 이용된다. 각 노드는 다른 노드들의 리스트 및 나머지 다른 노드들로의 전송을 위해 이용되는 빔 방향 및 구성 정보를 유지한다. 단계(302 및 304)는 통상적으로 시스템을 셋업하거나 시스템이 노드들을 수용 또는 삭제하도록 재구성하여 수행되고, 통상적으로는 보통 동작 동안 형성될 필요는 없을 것임은 물론이다. 소스 노드가 타겟 노드에 송신할 필요가 있을 때, 소스 노드는 메모리로부터 타겟 노드에 대한 빔 방향 및 구성 정보를 검색하고 빔 방향 및 구성 정보를 이용하여 지향성 빔을 발생시킨다(단계 306). 노드가 백홀 데이터의 전송을 위해 선택되는 경우, 링크 품질 및 트래픽 밀도와 같은 다른 고려 사항들에 기초하여, 송신 노드는 리스트로부터 빔 방향 (가중치)을 선택하고 이를 안테나에 인가한다.3 is a flow diagram of a process 300 for using smart antennas in message transmission between nodes in accordance with the present invention. At least some of the nodes are provided with at least one smart antenna, which is configured to generate multiple directional beams and then to independently steer in azimuth (step 302). Each beam is used as a wireless connection to other nodes in addition to the normal traffic of downloads to and uploads from the WTRU. Each node maintains a list of other nodes and beam direction and configuration information used for transmission to the other nodes. Steps 302 and 304 are typically performed by setting up the system or reconfiguring the system to accept or delete nodes, and typically will not need to be formed during normal operation. When the source node needs to transmit to the target node, the source node retrieves beam direction and configuration information for the target node from memory and generates a directional beam using the beam direction and configuration information (step 306). If the node is selected for transmission of backhaul data, based on other considerations such as link quality and traffic density, the transmitting node selects a beam direction (weighting) from the list and applies it to the antenna.

환경이 변할 수 있고 빔 방향의 조정이 필요할 수 있으므로, 링크의 품질을 측정하고 관련 정보를 저장하는 프로세스는 주기적으로 행해질 필요가 있다. 소스 노드는 발생된 지향성 빔으로 타겟 노드에 송신한다(단계 308).As the environment may change and beam direction adjustment may be necessary, the process of measuring the quality of the link and storing the relevant information needs to be done periodically. The source node transmits to the target node in the generated directional beam (step 308).

선택적인 단계에서, 네트워크에서의 변화가 발생할 수 있으며, 이로써 새로운 노드가 네트워크에 부가될 수 있고, 종래의 노드는 네트워크로부터 제거될 수 있으며, 또는 무선 주파수 또는 다른 조건들이 변할 수 있다. 변화에 응답하여 다른 노드들은 빔 방향 및 구성 정보의 리스트를 업데이트하여 그 변화를 반영한다(단계 310).In an optional step, changes in the network may occur, such that new nodes may be added to the network, conventional nodes may be removed from the network, or radio frequencies or other conditions may change. In response to the change, the other nodes update the list of beam direction and configuration information to reflect the change (step 310).

비록 본 발명의 특징 및 요소들이 특정 조합의 바람직한 실시예들로 설명되고 있지만, 각 특징 또는 요소는 바람직한 실시예의 다른 특징 및 요소들 없이 단독으로 이용되거나 본 발명의 다른 특징 및 요소들과 함께 또는 이들 없이 다양한 조합으로 이용될 수 있다.Although the features and elements of the present invention have been described in the preferred embodiments of a particular combination, each feature or element may be used alone or in combination with or other features and elements of the present invention without the other features and elements of the preferred embodiments. It can be used in various combinations without.

본원 발명을 통하여 백홀 네트워크를 설정하는데 비용 효율적이고, 시간이 덜 소모되며, 유연한 무선 통신 방법 및 시스템을 구현할 수 있다.Through the present invention, a cost effective, less time consuming, and flexible wireless communication method and system for establishing a backhaul network can be implemented.

Claims (47)

백홀 네트워크(backhaul network)를 확립(establish)하기 위해 적어도 하나의 스마트 안테나를 이용하기 위한 무선 통신 시스템에 있어서,A wireless communication system for using at least one smart antenna to establish a backhaul network, 복수의 노드들을 포함하고,Includes a plurality of nodes, 상기 복수의 노드들 각각은 적어도 하나의 이웃 노드에 접속(connect)되어 있고,Each of the plurality of nodes is connected to at least one neighboring node, 상기 복수의 노드들 각각은,Each of the plurality of nodes, 복수의 지향성 빔들을 생성하도록 구성되는 스마트 안테나;A smart antenna configured to generate a plurality of directional beams; 접속들을 가지고 있는 이웃 노드들의 리스트 및 상기 이웃 노드들로 메세지들을 송신하는데 사용되는 빔 구성 정보를 저장하도록 구성되는 메모리; 및A memory configured to store a list of neighbor nodes having connections and beam configuration information used to transmit messages to the neighbor nodes; And 제어기를 포함하며,A controller, 상기 제어기는,The controller comprising: 상기 이웃 노드들로부터 수신되는 신호(signal)들을 모니터링하고 상기 이웃 노드들로 데이터를 송신하기 위한 구성을 결정함으로써 상기 메모리에 저장된 상기 리스트를 업데이트(update)하고,Update the list stored in the memory by monitoring the signals received from the neighboring nodes and determining a configuration for transmitting data to the neighboring nodes, 상기 메모리에 저장된 상기 업데이트된 리스트를 사용해서 다른 노드로 특정한 메시지를 송신하기 위한 특정한 지향성 빔을 선택하도록 구성되며,Select a specific directional beam for sending a specific message to another node using the updated list stored in the memory, 상기 복수의 노드들 중 적어도 하나의 노드는 코어 네트워크와의 유선 백홀 접속(wired backhaul connection)을 더 포함하는 하이브리드 노드인 것인, 무선 통신 시스템.At least one of the plurality of nodes is a hybrid node further comprising a wired backhaul connection with a core network. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하이브리드 노드는 적어도 하나의 이웃 노드와의 유선 백홀 접속(wired backhaul connection)을 더 포함하는, 무선 통신 시스템.The hybrid node further comprises a wired backhaul connection with at least one neighbor node. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 생성된 복수의 지향성 빔들은 미리 결정된(predetermined) 위치들의 세트로부터 선택되는, 무선 통신 시스템.And the generated plurality of directional beams is selected from a set of predetermined positions. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 생성된 복수의 지향성 빔들은 동적으로 선택되고 실시간으로 지향(direct)되는 것인, 무선 통신 시스템.Wherein the generated plurality of directional beams are dynamically selected and directed in real time. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 지향성 빔들은 시스템 용량, 데이터 처리량(throughput), 그리고 간섭의 관점에서 최고의 성능을 제공하도록 구성되는 것인, 무선 통신 시스템.And the directional beams are configured to provide the best performance in terms of system capacity, data throughput, and interference. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 노드들 중 적어도 일부는 상기 유선 백홀 접속을 통해서 백홀 정보를 송신하도록 구성되는 것인, 무선 통신 시스템.At least some of the nodes are configured to transmit backhaul information via the wired backhaul connection. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하이브리드 노드는, The hybrid node, 상기 하이브리드 노드가 상기 코어 네트워크와 백홀 정보를 수신하고 송신하는 동안, 무선 백홀 접속으로 다른 노드와 백홀 정보를 수신하고 송신하도록 구성되는 것인, 무선 통신 시스템.And receive and transmit backhaul information with another node in a wireless backhaul connection while the hybrid node receives and transmits backhaul information with the core network. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복수의 노드들은 메쉬(mesh) 네트워크를 포함하는 것인, 무선 통신 시스템.And the plurality of nodes comprises a mesh network. 제1항에 있어서, 상기 복수의 노드들은 셀룰러 네트워크를 포함하는 것인, 무선 통신 시스템.The wireless communications system of claim 1, wherein the plurality of nodes comprises a cellular network. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 복수의 노드들 - 상기 복수의 노드들 중 적어도 두 개의 노드들은 각각 적어도 하나의 이웃 노드와의 접속(connection)을 위해서 적어도 하나의 지향성 빔을 생성하는 스마트 안테나를 가짐 - 을 포함하는 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법에 있어서,A plurality of nodes, each of at least two of the plurality of nodes having a smart antenna that generates at least one directional beam for connection with at least one neighboring node; In a method for using smart antennas, 이웃 노드들로 비콘 메시지(beacon message) - 상기 비콘 메시지는 구성 정보를 포함함 - 를 전하는(carry) 비콘 신호(beacon signal)를 각 노드가 송신하는 단계;Transmitting, by each node, a beacon signal carrying a beacon message to neighbor nodes, the beacon message including configuration information; 접속들을 가지는 이웃 노드들의 리스트 및 이웃 노드들로 메시지들을 송신하는데 사용되는 빔 방향 및 구성 정보를 측정하고 저장하는 단계;Measuring and storing a list of neighbor nodes with connections and beam direction and configuration information used to transmit messages to the neighbor nodes; 상기 빔 방향과 구성 정보에 따라서 타겟 노드로 특정한 메시지를 송신하기 위한 지향성 빔을 생성하는 단계; 및Generating a directional beam for transmitting a specific message to a target node according to the beam direction and configuration information; And 상기 생성된 지향성 빔으로 상기 타겟 노드로 상기 메시지를 송신하는 단계Transmitting the message to the target node in the generated directional beam. 를 포함하는, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.And a method for using smart antennas in a wireless communication system. 제20항에 있어서,21. The method of claim 20, 각 노드는 하나보다 많은 빔을 사용해서 접속되어 있으며, 이에 의해 빔은 상기 접속(connection)을 위해 제공된 빔들 사이에서 적응적으로(adaptively) 스위칭(switch)되는 것인, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.Each node is connected using more than one beam, whereby the beams are adaptively switched between the beams provided for the connection. How to use. 제20항에 있어서,21. The method of claim 20, 네트워크의 변화 또는 수정을 반영하여 상기 리스트를 업데이트(update)하는 단계를 더 포함하는, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.Updating the list to reflect a change or modification of the network. 제20항에 있어서,21. The method of claim 20, 트래픽 부하 상태(traffic load condition) 및 이웃 노드들의 능력(capability)들에 관한 정보를 획득(obtain)하고, 상기 정보에 기초하여 다른 노드로 상기 메시지를 전송하기 위한 적합한 경로(path)를 선택하는 단계를 더 포함하는, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.Obtaining information about traffic load conditions and capabilities of neighboring nodes, and selecting a suitable path for sending the message to another node based on the information. Further comprising a smart antenna in a wireless communication system. 제20항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 복수의 노드들은 메쉬(mesh) 네트워크를 포함하는 것인, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.And the plurality of nodes comprises a mesh network. 제20항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 복수의 노드들은 셀룰러 네트워크를 포함하는 것인, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.And the plurality of nodes comprises a cellular network. 제20항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 복수의 노드들 중 하나의 노드는 제어 노드로 지정(designate)되며, 상기 제어 노드는 트래픽 부하 상태(traffic load condition) 및 각 노드의 능력(capability)들에 관한 정보를 수집하고, 각 노드에서의 경로 결정을 제어하는 것인, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.One node of the plurality of nodes is designed as a control node, the control node collecting information about traffic load conditions and capabilities of each node, and at each node A method for using smart antennas in a wireless communication system. 제20항에 있어서,21. The method of claim 20, 각 노드는, 다른 노드들로 메시지들을 전송하기 위한 적합한 경로를 선택하는데 있어서 상기 비콘 메시지를 이용하는 것인, 무선 통신 시스템에서 스마트 안테나들을 이용하기 위한 방법.Wherein each node uses the beacon message in selecting a suitable path for sending messages to other nodes. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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