KR20060048988A - 분산형 입력 분산형 출력 무선 통신을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트레이닝 신호 (training signal) 를 기지국의 각 안테나로부터 다수의 클라이언트 디바이스 각각에 송신하고 클라이언트 디바이스 각각은 각 트레이닝 신호를 분석하여 채널 특성화 데이터를 생성하며 채널 특성화 데이터를 기지국으로 다시 송신하는 단계와, 다수의 클라이언트 디바이스 각각에 대한 채널 특성화 데이터를 저장하는 단계와, 클라이언트 디바이스 각각으로 송신될 데이터를 수신하는 단계와, 데이터를 각각의 클라이언트 디바이스와 연관된 채널 특성화 데이터를 사용하여 사전 코딩하여 기지국의 각 안테나를 위해 사전 코딩된 데이터 신호를 생성하는 단계와, 사전 코딩된 데이터 신호를 기지국의 각 안테나를 통해 각각의 클라이언트 디바이스로 송신하는 단계를 포함하는 방법을 개시한다.

Description

분산형 입력 분산형 출력 무선 통신을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DISTRIBUTED INPUT DISTRIBUTED OUTPUT WIRELESS COMMUNICATIONS}
도 1은 종래 기술 MIMO 시스템의 도면,
도 2는 다수의 단일-안테나 클라이언트 디바이스와 통신하는 N-안테나 기지국을 도시한 도면,
도 3은 3 개의 단일-안테나 클라이언트 디바이스들과 통신하는 3-안테나 기지국을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 트레이닝 신호 기술을 설명하는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 클라이언트 디바이스로부터 기지국으로 송신된 채널 특성화 데이터를 설명하는 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 분산형-입력 다중-출력 (DIMO) 다운스트림 송신을 설명하는 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다중-입력 다중-출력 (MIMO) 업스트림 송신을 설명하는 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 대역폭 할당을 위한 상이한 클라이언트 그룹을 통한 기지국 사이클링을 설명하는 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 근사 거리 기반 클라이언트 그룹핑 (grouping) 을 설명하는 도면,
도 10은 NVIS 시스템 내부에서 사용된 본 발명의 실시형태를 설명하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
400 : 기지국 401 : WAN 인터페이스
402 :라우터 403 : 코딩, 변조 및 신호 처리부
404 : 송수신기 405 : 송신 안테나
406 : 클라이언트 디바이스 1 407 : 클라이언트 디바이스 2
408 : 클라이언트 디바이스 3 409 : 수신 안테나
410 : 송수신기 411 : 코딩, 변조 및 신호 처리부 412 : 데이터 인터페이스 413 - 415 : 행렬
420 : 신호 특성화 로직
본 발명은 전반적으로 통신 시스템 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공간-시간 코딩 기술 (space-time coding techniques) 을 사용하여 분산형 입력-분산형 출력 (distributed input-distributed output) 무선 통신을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
통신 신호의 공간-시간 코딩
무선 기술에서 상대적으로 새롭게 개발된 기술은 공간 멀티플렉싱 기술 (spatial multiplexing) 및 공간-시간 코딩 기술이다. 공간-시간 코딩 중 한 특정 타입은 "다중 입력 다중 출력"을 위한 MIMO로서 지칭되는데, 그 이유는 몇 개의 안테나의 각각의 단부가 사용되기 때문이다. 신호를 수신 및 송신하는데 있어서 다수의 안테나를 사용함으로써, 다수의 독립적 무선파가 동일한 주파서 범위 내에서 동일한 시간에 송신될 수 있다. 다음의 문헌은 MIMO에 대한 개략적인 설명을 제공한다 :
IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL.21,NO.3,APRIL 2003 : IEEE 멤버 David Gesbert, IEEE 멤버 Mansoor Shafi, IEEE 멤버 Da-shan Shiu, IEEE 멤버 Peter J. Smith 및 IEEE 시니어 멤버 Ayman Naguib에 의한 "이론에서 실제까지 : MIMO 시간-공간 코딩된 무선 통신의 개요".
IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL.50,NO.12, DECEMBER 2002 : IEEE 멤버 David Gesbert, IEEE 멤버 헬무트 볼스케이, IEEE 펠로우 Dhananjay A.Gore 및 IEEE 펠로우 Arogyaswami J. Paulraj에 의한 "옥외 MIMO 무선 채널 : 모델 및 성능 예측".
근본적으로는, MIMO 기술은 공통 주파수 대역 내에서 병렬적 공간 데이터 스트림들을 생성함으로써 공간적으로 분산된 안테나의 사용을 기반으로 하고 있다. 개별적인 신호가 동일한 주파수 대역 내에서 송신될지라도 수신기에서 분리되고 복조되어 다수의 통계적으로 독립된 (즉, 효과적으로 분리된) 통신 채널들이 생성되도록 무선파들이 송신된다. 따라서, 다중 경로 신호 (즉, 시간상 지연되고 진 폭 및 위상이 수정된 동일한 주파수의 다수의 신호들) 를 금지하도록 하는 표준 무선 통신 시스템과는 대조적으로, MIMO는 소정의 주파수 대역 내에서 개선된 신호 대 잡음 비율 및 보다 높은 처리량을 성취하도록 상관되지 않거나 약하게 상관된 다중 경로 신호를 의존할 수 있다. 예시적으로, 802.11g 시스템 내에서 MIMO 기술을 사용함으로써, 최근에 에어고 네트워크 (Airgo Network) 는 통상적인 802.11g 시스템이 오직 54 Mbps만을 성취할 수 있는 동일한 스펙트럼에서 108 Mbps를 성취하였다 (이는 에어고의 웹사이트 http://www.airgonetworks.com에 최근에 개시되어 있다).
MIMO 시스템은 다음과 같은 이유들로 인해서 통상적으로 실제적으로 디바이스마다 10 개 이하의 안테나로 그 안테나 수량이 한정되는 실정이다 (따라서, 네트워크에서 처리량 개선 정도는 10 × 처리량 이하의 수준이다).
1. 물리적 한계 : 소정의 디바이스 상의 MIMO 안테나들은 각 안테나가 통계적으로 독립된 신호를 수신하도록 이들 안테나 간의 이격 거리가 충분해야 한다. MIMO 대역폭 개선이 심지어 1/6 파장 (λ/6) 의 안테나 이격 거리로 성취될 수 있지만, 그 효율은 안테나들이 점점 가까이 위치하게 되면 급격하게 감소하여 이는 보다 작은 MIMO 대역폭 승산을 수행하게 된다. 또한, 안테나가 밀도가 높게 배치되어 있으면, 통상 안테나 간의 거리는 가까워져서 역시 대역폭 효율에 영향을 주게 되어 있다. 마지막으로, 보다 낮은 주파수 및 보다 긴 파장을 사용하는 경우에, 단일 MIMO 디바이스의 물리적 크기는 그 유지가 불가능한 상태가 될 수 있다. 그 극단적인 실례가 HF 대역이며, 여기서는 MIMO 디바이스 안테나들은 10 미터 이상의 거리로 서로 분리되어야 한다.
2. 잡음 한계 : 각 MIMO 수신기/송신기 서브시스템은 소정의 레벨의 잡음을 생성한다. 이 서브시스템들이 서로 가까이 배치되는 개수가 많으면 많을 수록 잡음 레벨은 증가한다. 한편, 다중 안테나 MIMO 시스템에서 개별 신호가 보다 정확하게 구별될 필요가 있다면, 보다 낮은 레벨의 잡음이 요구된다.
3. 비용 및 전력 차원에서의 한계 : 비용 및 전력 소모가 문제가 되지 않는 MIMO 애플리케이션이 존재하지만, 통상적인 무선 통신 제품에서는, 비용 및 전력 소모량이 성공적인 제품을 개발하는데 있어서 매우 중요한 문제가 된다. 별도의 A/D 변환기 및 D/A 변환기를 포함하는 별도의 RF 서브시스템이 각 MIMO 안테나에 필요하게 된다. 이러한 아날로그-집중형 서브시스템은 무어의 법칙으로 스케일링되는 디지털 시스템의 수많은 측면과는 달리 통상적으로 소정의 물리 구조적 크기 및 전력 요구치를 가지며 비용 및 전력에 있어서 선형으로 스케일링된다. 따라서, 이러한 다중 안테나 MIMO 디바이스는 단일 안테나 디바이스에 비해서 생산이 불가능할 정도로 고가이며 전력 소모량이 크다.
상술된 이유들로 인해서, 요즘 고려되고 있는 대부분의 MIMO 서브시스템들은 2 내지 4 개의 안테나의 수량을 가지며 이로써 대역폭에서는 2 내지 4 배의 증가율이 생성되며 다중 안테나 시스템의 다이버시티 이점으로 인한 SNR에서의 증가 정도는 어느 정도뿐이다. (특히, 보다 짧은 파장 및 보다 근접한 안테나 간의 거리로 인해서 보다 높은 마이크로파 주파수 조건에서는) 10 개의 안테나를 갖는 MIMO 시스템이 고려되어 왔는데 이는 매우 특정하고 비용이 문제가 되지 않은 애플리케 이션에서만 실용화되었지 그 이외에는 실용화되지 않았다.
가상 안테나 어레이
MIMO 타입 기술의 한 특정한 애플리케이션은 가상 안테나 어레이이다. 이러한 시스템은 European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research, EURO-COST, Barcelona, Spain, Jan 15-17, 2003 : Center for Telecommunications Research, King's College London, UK에서 Mischa Dohler 및 Hamid Aghvami에 의해 제공된 연구 논문 "MIMO를 위한 단계 : 가상 어레이 안테나"에서 제안되었다.
이 문헌에서 제안된 가상 어레이 안테나는 (셀룰러 전화와 같은) 협력형 무선 디바이스들의 시스템들로서 (이들이 서로 충분하게 근접하여 있는 경우에 ) 서로 협력하여 동작하기 위해서 그들의 기지국으로 향한 그들의 주요한 통신 채널보다는 별도의 통신 채널 상에서 서로 간에 통신한다 (가령, 이들이 UHF 대역에서 사용되는 GSM 셀룰러 전화이면, 그 대역은 5 GHz ISM (Industrial Scientific and Medical) 무선 대역일 수 있다). 이로써, 단일 안테나 디바이스들은 이들이 물리적으로 다수의 안테나를 갖는 하나의 디바이스가 되어서 동작하는 것처럼 되도록 (기지국의 범위를 포함하여) 상호 범위 내에서 몇 개의 디바이스 간에서 정보를 릴레이 (relay) 함으로써 대역폭에 있어서 MIMO형 증가를 잠재적으로 성취한다.
그러나, 실제로, 이러한 시스템은 구현하기 극히 어렵기 때문에 사용에 있어서 한계가 있다. 무엇보다도, 종종 그 가용 여부가 확실하지 않은 제 2 릴레이 링크로 개선된 처리량을 성취하기 위해서 유지되어야 하는 디바이스 당 구별된 통 신 경로의 최소 개수는 현재는 2 개이다. 또한, 이 디바이스는 보다 고가이며 물리적으로 대형이고 보다 많은 전력을 소모하는데 그 이유는 이들이 최소한 제 2 통신 서브시스템을 가지며 보다 큰 분량의 계산이 필요하기 때문이다. 또한, 이 시스템에서는 잠재적으로는 다양한 통신 링크를 통해서 모든 디바이스를 매우 복잡한 실시간 방식으로 서로 효율적으로 조정한다. 마지막으로, 동시적 채널 사용 (가령, MIMO 기술을 사용하는 동시적 전화 호출 송신) 이 증가되면, 각 디바이스에 대한 계산적 부담도 증가하여 (채널 사용이 선형으로 증가할수록 그 부담은 잠재적으로는 지수 함수적으로 증가함), 엄격한 전력 제한 사항 및 크기 제한 사항으로 인해서 휴대용 디바이스를 위해서는 실용화될 수 없다.
본 발명은 트레이닝 신호 (training signal) 를 기지국의 각 안테나로부터 다수의 클라이언트 디바이스 각각에 송신하고 상기 클라이언트 디바이스 각각은 상기 각 트레이닝 신호를 분석하여 채널 특성화 데이터를 생성하며 상기 채널 특성화 데이터를 상기 기지국으로 다시 송신하는 단계와, 상기 다수의 클라이언트 디바이스 각각에 대한 상기 채널 특성화 데이터를 저장하는 단계와, 상기 클라이언트 디바이스 각각으로 송신될 데이터를 수신하는 단계와, 상기 데이터를 상기 각각의 클라이언트 디바이스와 연관된 상기 채널 특성화 데이터를 사용하여 사전 코딩하여 상기 기지국의 각 안테나를 위해 사전 코딩된 데이터 신호를 생성하는 단계와, 상기 사전 코딩된 데이터 신호를 상기 기지국의 각 안테나를 통해 상기 각각의 클라이언트 디바이스로 송신하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명의 보다 양호한 이해는 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 독해함으로부터 이루어질 수 있다.
다음의 설명에서, 설명의 목적을 위해서, 수많은 특정 세부 사항이 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 특정한 세부 사항 중 몇몇이 없이도 실행될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 실례에서, 잘 알려진 구조 및 디바이스가 블록도 형태로 도시되어 본 발명의 기본적인 원리를 모호하게 하는 것을 피하였다.
도 1은 송신 안테나 (104) 및 수신 안테나 (105) 를 갖는 종래 기술 MIMO 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 가용할 채널에서 통상적으로 성취될 수 있는 3 배의 처리량까지 성취할 수 있다. 관련 주제에 대해 출판된 문헌에서 기술된 이러한 MIMO 시스템의 세부 사항을 구현하는 수많은 상이한 방식들이 존재하며 다음의 설명은 이러한 방식 중 하나를 설명한다.
데이터가 도 1의 MIMO 시스템에서 송신되기 이전에, 채널이 "특성화된다". 이는 "트레이닝 신호 (training signal)"를 각 송신 안테나 (104) 로부터 각 수신기 (105) 로 초기에 송신함으로써 성취된다. 이 트레이닝 신호는 코딩 및 변조 서브시스템 (102) 에 의해 생성되어 D/A 변환기 (도시되지 않음) 에 의해서 아날로그 형태로 변환되고 이어서 각 송신기 (103) 에 의해서 기저대역에서 RF로 연속적으로 변환된다. 그의 RF 수신기 (106) 에 접속된 각 수신 안테나 (105) 는 이러한 트레이닝 신호를 수신하여 이를 기저대역으로 변환시킨다. 기저대역 신 호는 A/D 변환기 (도시되지 않음) 에 의해서 디지털 형태로 변환되며 신호 처리 서브시스템 (107) 이 트레이닝 신호를 특성화시킨다. 각 신호의 특성화는 가령 수신기에 대해 내부적인 기준치에 대한 위상 및 진폭, 절대 기준치, 상대 기준치, 특성 잡음 또는 다른 요소를 포함하는 다수의 요소를 포함할 수 있다. 각 신호의 특성화는 통상적으로 이 신호가 채널을 통해서 송신될 때에 이 신호의 몇 개의 양태의 위상 변화 및 진폭 변화를 특성화하는 벡터로서 규정된다. 가령, 직교 진폭 변조 (QAM) 로 변조된 신호에서, 특성화는 그 신호의 몇 개의 다중경로 이미지의 위상 오프셋 및 진폭 오프셋의 벡터일 수 있다. 다른 실례로서, OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 로 변조된 신호에서, 특성화는 OFDM 스펙트럼 내의 모든 개별 서브-신호 또는 몇 개의 개별 서브-신호의 진폭 오프셋 및 위상 오프셋의 벡터일 수 있다.
신호 처리 서브시스템 (107) 은 각 수신 안테나 (105) 및 이에 대응하는 수신기 (106) 에 의해 수신된 채널 특성화를 저장한다. 모든 3 개의 송신 안테나 (104) 가 그들의 트레이닝 신호 송신을 완료한 후에, 신호 처리 서브시스템 (107) 은 3 개의 수신 안테나 각각 (105) 에 대한 3 개의 채널 특성화를 저장하여 이로써 채널 특성화 행렬 H로 지정된, 3×3 행렬 (110) 이 생성된다. 각 개별 행렬 원소 (Hi,j) 는 수신 안테나 (105j) 에 의해 수신된 송신 안테나 (104i) 의 트레이닝 신호 송신의 (통상적으로 상술된 바와 같은 벡터인) 채널 특성화이다.
이 시점에서, 신호 처리 서브시스템 (107) 은 행렬 H (110) 를 역전시켜서 역행렬 H- 1 를 생성하며 송신 안테나 (104) 로부터의 실제적 데이터의 송신을 대기한다. 입수가능한 문헌에서 기술된 다양한 종래 기술 MIMO 기술은 H 행렬 (110) 이 역전될 수 있도록 보장하는데 사용될 수 있다.
동작 시에, 송신될 데이터의 페이로드 (payload) 는 데이터 입력 서브시스템 (100) 에 제공된다. 이어서, 이는 코딩 및 변조 서브시스템 (102) 으로 제공되기 이전에 분할기 (101) 에 의해서 세 부분으로 분할된다. 가령, 이 페이로드가 "abcdef"에 대한 ASCII 비트이면, 이는 "ad", "be" 및 "cf" 에 대한 ASICII 비트들의 3 개의 서브-페이로드로 분할기 (101) 에 의해서 분할될 수 있다. 이어서, 이들 서브-페이로드 각각은 코딩 및 변조 서브시스템 (102) 으로 개별적으로 제공된다.
각 서브-페이로드는 각 신호의 통계적 독립 및 에러 보정 능력 모두를 위해 적합한 코딩 시스템을 사용하여 개별적으로 코딩된다. 이 코딩 시스템들은 Reed-Solomon 코딩, 비터비 코딩 및 터보 코딩을 포함하지만 여기에만 한정되지 않는다. 마지막으로, 3 개의 코딩된 서브-페이로드 각각은 그 채널을 위해 적합한 변조 방식을 사용하여 변조된다. 예시적인 변조 방식은 DPSK (differential phase shift key) 변조, 64-QAM 변조 및 OFDM 변조이다. MIMO에 의해 제공되는 다이버시티 이득은 고차수 변조 집합을 가능하게 하지만 이는 동일한 채널을 사용하는 SISO (단일 입력 단일 출력) 시스템에서는 MIMO의 경우와 달리 구현될 것이다. 이어서, 각 코딩 및 변조된 신호는 D/A 변환 유닛 (도시되지 않음) 에 의 한 D/A 변환 및 각 송신기 (103) 에 의해 RF 생성 이후에 그 자신의 안테나 (104) 를 통해서 송신된다.
적합한 공간적 다이버시티가 송신 안테나 및 수신 안테나 중에 존재한다고 가정하면, 수신 안테나 (105) 각각은 안테나 (104) 로부터 송신된 3 개의 신호들의 상이한 조합을 수신할 것이다. 각 신호는 각 RF 수신기 (106) 에 의해서 수신되어 기저대역으로 변환되며 (도시되지 않은) A/D 변환기에 의해서 디지털화된다. yn이 n 번째 수신 안테나 (105) 에 의해 수신된 신호이고 xn이 n 번째 송신 안테나 (104) 에 의해 송신된 신호이며 N이 잡음이면, 다음과 같은 3 개의 등식이 성립한다.
Figure 112005042298789-PAT00001
이러한 등식들이 3 개의 미지수를 갖는 3 개의 등식으로 구성된 시스템이면, (N이 신호들의 디코딩을 허용하기에 충분하게 낮은 레벨에 존재한다고 가정하면) 다음과 같은 x1, x2 및 x3를 유도하는 것은 신호 처리 서브시스템 (107) 에 대한 선형 대수학의 문제를 푸는 것이다.
Figure 112005042298789-PAT00002
일단 3 개의 송신된 신호 xn이 유도되면, 이들은 신호 처리 서브시스템 (107) 에 의해서 복조, 디코딩 및 에러-보정되며 이로써 분할기 (101) 에 의해 최초에 분할되었던 3 개의 비트 스트림이 복구된다. 이 비트 스트림들은 결합기 유닛 (108) 에서 결합되어 단일 데이터 스트림으로서 데이터 출력부 (109) 에서 출력된다. 이 시스템의 강성이 잡음 손상 정도를 극복할 수 있다고 가정하면, 데이터 출력 (109) 은 데이터 입력부 (100) 로 도입되었던 것과 동일한 비트 스트림을 생성할 것이다.
본 명세서의 배경 기술 부분에서 서술된 여러 이유들로 인해서 바로 위에서 기술된 종래 기술 시스템이 통상적으로 4 개의 안테나 및 더 나아가 10 개의 안테나까지로는 실제화될 수 있지만, (가령, 25 개, 100 개 또는 1000 개와 같은) 대량의 안테나로는 실제화될 수 없다.
통상적으로, 이러한 종래 기술 시스템은 2-웨이 방식 (two-way) 이며 복귀 경로는 정확하게 동일한 방식으로 구현되지만 송신 서브시스템 및 수신 서브시스템 모두를 갖는 통신 채널의 각 측면에서는 그 반대가 된다.
도 2는 기지국 (200) 이 (가령, T1 또는 다른 고속 접속부를 통해 인터넷으로 향하는) WAN 인터페이스 (201) 와 함께 구성되며 다수의 안테나 (n 개의 안테나) (202) 를 갖는 본 발명의 일 실시형태를 도시한다. 각각이 단일 안테나를 가지면서 기지국 (200) 으로부터 무선으로 서비스를 받는 다수의 클라이언트 디바이스 (203-207) 가 있다. 이러한 기지국이 사무실 환경에서 위치하여 무선 네트워크가 구축된 개인용 컴퓨터인 클라이언트 디바이스 (203-207) 에 서비스를 제공하는 것으로 고려하는 것이 예시를 들기 위해서 편리하지만, 이러한 아키텍처는 기지국이 무선 클라이언트에 서비스를 제공하는 옥외 및 옥내의 다수의 애플리케이션에 적용될 수 있다. 가령, 기지국은 셀룰러 전화 탑에 기반을 두고 있거나 텔레비전 방송 탑에 그 기반을 둘 수도 있다. 일 실시형태에서, 기지국 (200) 은 지상에 위치하여 HF 주파수 (가령, 24MHz에 달하는 주파수) 로 신호를 상향으로 송신하여 전이권 (ionosphere) 으로부터 그 신호를 바운스 오프 (bounce off) 하도록 구성될 수 있는데, 이러한 실시형태는 본 출원의 양수인에게 양도되고 본 명세서에서 참조로서 인용되며 2004년 4월 20일 출원되었으며 특허 출원 제 10/817,731이며 공동 계류 중인 "공간-시간 코딩을 사용하여 NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) 통신을 개선하는 시스템 및 방법"에서 개시되어 있다.
위에서 제안된 기지국 (200) 및 클라이언트 디바이스 (203-207) 와 관련된 소정의 세부 사항은 오직 설명의 목적을 위한 것이지 본 발명의 기본적인 원리를 순응하기 위해서 필수한 사항은 아니다. 가령, 기지국은 디지털 비디오 배포에서 사용되는 네트워크와 같은 애플리케이션 특정 WAN을 포함하는 WAN 인터페이스 (201) 를 통해서 다양한 상이한 타입의 WAN에 접속될 수 있다. 이와 마찬가지로, 클라이언트 디바이스는 여기에만 한정되지는 않지만 셀룰러 전화, PDA, 수신기 및 무선 카메라를 포함하는 임의의 다양한 무선 데이터 처리 및/또는 통신 디바이스일 수 있다.
일 실시형태에서, 기지국의 n 개의 안테나 (202) 는 이 기지국이 종래 기술 MIMO 송수신기인 것처럼 공간적으로 상관되지 않는 신호를 각 안테나가 송신 및 수신하도록 공간적으로 분리된다. 배경 기술 분야에서 기술된 바와 같이, 서로 간에 λ/6 (즉, 파장의 1/6) 범위 내로 떨어져서 배치된 안테나들이 MIMO로부터의 대역폭 증가를 성공적으로 성취한 실험이 수행되었는데, 보다 일반적으로 말하면, 이들 기지국 안테나들이 서로 간에 더 멀리 떨어져서 배치될수록 그 시스템 성능은 보다 양호하며 λ/2 파장이 바람직한 최소치이다. 물론, 본 발명의 기본적인 원리는 안테나 간의 임의의 특정 이격 거리로 한정되지 않는다.
단일 기지국 (200) 의 안테나들은 서로 간에 매우 멀리 떨어져서 배치된다. 가령, HF 스펙트럼에서, 안테나들은 (가령, 상술한 NVIS 구현에서) 서로 간에 10 미터 이상으로 떨어져서 배치된다. 100 개의 이러한 안테나가 사용되면, 기지국의 안테나 어레이는 수 제곱 킬로미터를 차지할 것이다.
공간적 다이버시티 기술 이외에, 본 발명의 일 실시형태는 그 시스템의 유효 대역폭을 증가시키도록 신호를 극성화시킨다. 극성화를 통해 채널 대역폭을 증가시키는 것은 수년 동안 인공 위성 텔레비전 제공자에 의해 채용된 잘 알려진 기술이다. 극성화를 사용하여, 다수의 (가령, 3 개의) 기지국 안테나들을 서로 매우 가깝게 배치하면서 공간적으로는 상관되지 않게 할 수 있다. 통상적인 RF 시스템은 2 차원 (가령, x 및 y) 극성화의 다이버시티로부터만 이점을 얻을 것이지만, 본 명세서에서 기술된 아키텍처는 3 차원 (x,y 및 z) 극성화의 다이버시티로부터도 이점을 더 얻을 수 있다
도 3은 도 2에 도시된 기지국 (200) 및 클라이언트 디바이스 (203-207) 의 일 실시형태의 추가적인 세부 사항을 제공한다. 단순성을 위해서, 기지국 (300) 은 오직 3 개의 안테나 (305) 를 갖는 것으로 도시되며 클라이언트 디바이스 도 오직 3 개의 디바이스 (306-308) 로서 도시된다. 그러나, 본 명세서에서 기술된 본 발명의 실시형태들은 실제로 한정되지 않는 수의 안테나 (305) (즉, 가용한 공간 및 잡음에 의해서만 한정됨) 및 클라이언트 디바이스 (306-308) 로 구현될 수 있다.
도 3의 아키텍처는 도 1에 도시된 종래 기술 MIMO 아키텍처와 이 두 아키텍처 모두가 통신 채널의 각 측 상에 3 개의 안테나를 갖는다는 점에서 유사하다. 분명한 차이점은 종래 기술 MIMO 시스템에서는 도 1의 우측 상의 3 개의 안테나 (105) 는 모두가 서로 간에 고정된 거리로 위치하고 (가령, 단일 디바이스 상에 집적됨), 각 안테나 (105) 로부터 수신된 신호가 신호 처리 서브시스템 (107) 에서 함께 처리된다는 것이다. 이와 대조적으로, 도 3에서, 이 도면의 우측 상의 3 개의 안테나 (309) 각각은 상이한 클라이언트 디바이스 (306-308) 에 접속되고, 이 클라이언트 디바이스 각각은 기지국 (300) 의 범위 내의 임의의 지점에서 분산되어 있다. 이로써, 각 클라이언트 디바이스가 수신한 신호는 코딩, 변조, 신호 처리 서브시스템 (311) 에서 다른 2 개의 수신된 신호와는 독립적으로 처리된다. 이로써, 다중 입력 (즉, 안테나 (105)) 다중 출력 (즉, 안테나 (104)) MIMO 시스템과는 대조적으로, 도 3은 이후부터는 DIMO 시스템으로 지칭되는, 분산형 입력 (즉, 안테나 (309)) 다중 출력 (즉, 안테나 (305)) 시스템을 도시한다.
도 3에 도시된 DIMO 아키텍처는 소정의 개수의 송신 안테나에 대해서 SISO 시스템에 대해서 MIMO가 수행했던 대역폭 증가와 유사한 대역폭 증가를 성취한다. 그러나, MIMO 시스템과 도 3에 도시된 특정 DIMO 시스템의 한가지 차이는 다수의 기지국 안테나에 의해 제공된 대역폭 증가를 성취하기 위해서 각 DIMO 클라이언트 디바이스 (306-308) 는 오직 단일 수신 안테나만을 필요로 하는데 반해, MIMO 시스템의 경우에는 각 클라이언트 디바이스는 적어도 성취되기를 원하는 대역폭 증가 배수만큼 많은 수신 안테나를 필요로 한다는 것이다. 통상적으로 (배경 기술 분야에서 설명한 바와 같이) 클라이언트 디바이스 상에 배치될 수 있는 안테나의 개수는 실제적으로 제한되기 때문에, 이는 통상적으로 MIMO 시스템이 4 개 내지 10 개의 안테나 (및 4 배수 대역폭 증가 내지 10 배수 대역폭 증가) 를 가지도록 한정한다. 기지국 (300) 이 통상적으로 고정되며 전력에 공급되는 위치로부터 수많은 클라이언트 디바이스에게 서비스를 제공하기 때문에, 그 안테나 개수를 10 개보다 훨씬 많은 안테나로 확장하고 이 안테나들을 적합한 거리로 분리함으로써 공간적 다이버시티를 성취하는 것이 실제적이다. 설명된 바와 같이, 각 안테나에는 송수신기 (304) 및 코딩, 변조 및 신호 처리부 (303) 의 처리 전력의 일부가 제공된다. 중요하게는, 본 실시형태에서, 어느 정도로 기지국 (300) 이 확대되는 것과 상관없이, 각 클라이언트 디바이스 (306-308) 는 오직 하나의 안테나 (309) 만을 필요로 할 것이며 이로써 개별 사용자 클라이언트 디바이스 (306-308) 에 대한 비용이 낮아질 것이며 기지국 (300) 의 비용을 광범위한 사용자들이 공유할 수 있다.
기지국 (300) 으로부터 클라이언트 디바이스 (306-308) 로의 DIMO 송신이 성취될 수 있는 방법의 실례가 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, DIMO 송신이 시작되기 이전에, 채널이 특성화된 다. MIMO 시스템에서처럼, (여기에서 기술된 실시형태에서는) 트레이닝 신호가 각 안테나 (405) 에 의해서 하나씩 송신된다. 도 4는 오직 제 1 트레이닝 신호 송신만을 도시하지만, 3 개의 안테나 (405) 의 경우에는 총 3 개의 별도의 송신이 존재한다. 각 트레이닝 신호는 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (403) 에 의해서 생성되며 D/A 변환기에 의해서 아날로그 형태로 변환되고 각 RF 송수신기 (404) 를 통해서 RF로서 송신된다. 여기에만 한정되지는 않지만 상술된 바 (가령, Reed Solomon, 비터비 디코딩; QAM, DPSK, QPSK 변조 등) 를 포함하여 다양하고 상이한 코딩, 변조 및 신호 처리 기술이 사용될 수 있다.
각 클라이언트 디바이스 (406-408) 는 그의 안테나 (409) 를 통해서 트레이닝 신호를 수신하여 이 트레이닝 신호를 송수신기 (410) 에 의해서 기저대역으로 변환시킨다. (도시되지 않은) A/D 변환기는 그 신호를 디지털 형태로 변환시키고 여기서 이 신호는 각 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (411) 에 의해서 처리된다. 이어서, 신호 특성화 로직 (420) 이 (가령, 상술된 바와 같이 진폭 왜곡 및 위상 왜곡을 식별하는) 생성된 신호를 특성화시키며 이 특성화 사항을 메모리에 저장한다. 이 특성화 프로세스는 종래 기술 MIMO 시스템의 특성화 프로세스와 유사하지만, 그 현저한 차이점은 각 클라이언트 디바이스가 n 개의 안테나에 대해서 특성화 벡터를 계산하기보다는 오직 그의 한 개의 안테나에 대해서만 특성화 벡터를 계산한다는 것이다. 가령, 클라이언트 디바이스 (406) 의 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (411) 은 알려진 패턴을 갖는 트레이닝 신호로 (제조 시점에서는 송신된 메시지 내에서 이를 수신함으로써 또는 다른 초기화 프로세스에 의해서) 초기화된다. 안테나 (405) 가 이 알려진 패턴을 갖는 트레이닝 신호를 송신할 때에, 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (411) 은 상관 방법을 사용하여 이 트레이닝 신호의 최장기간 수신된 패턴을 발견하고 위상 오프셋 및 진폭 오프셋을 저장하며 이어서 상기 패턴을 상기 수신된 신호로부터 감산한다. 다음에, 이 서브시스템은 트레이닝 신호와 상관된 두 번째로 장시간으로 수신된 패턴을 파악하고, 위상 오프셋 및 진폭 오프셋을 저장하며 이어서 이 두 번째의 패턴을 수신된 신호로부터 감산한다. 이러한 프로세스는 (가령 8 개와 같은) 몇 개의 고정된 개수의 위상 오프셋 및 진폭 오프셋이 저장되거나 검출가능한 트레이닝 신호 패턴이 소정의 잡음 레벨 이하로 떨어질 때까지 계속된다. 위상 오프셋/진폭 오프셋의 벡터는 벡터 (413) 의 원소 H11이 된다. 이와 동시에, 클라이언트 디바이스 (407, 408) 를 위한 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템이 동일한 처리 과정을 수행하여서 벡터 원소 H21 및 H31를 생성한다.
특성화 정보가 저장된 메모리는 플래시 메모리와 같은 비휘발성 메모리 또는 하드 드라이브 및/또는 RAM (가령, SDRAM, DRAM) 과 같은 휘발성 메모리일 수 있다. 또한, 상이한 클라이언트 디바이스는 특성화 정보를 저장하는 상이한 타입의 메모리들을 동시에 사용할 수 있다 (가령, PDA는 플래시 메모리를 사용하는 반면 노트북 컴퓨터는 하드 드라이브를 사용할 수 있다). 본 발명의 기본적인 원리는 다양한 클라이언트 디바이스 또는 기지국에 대한 임의의 특정 타입의 저장 메카니즘으로만 한정되는 것이 아니다.
상술한 바와 같이, 사용된 방식에 따라서, 각 클라이언트 디바이스 (406-408) 가 오직 하나의 안테나만을 가지기 때문에, 각각은 오직 1×3 열 (413-415) 의 H 행렬만을 저장한다. 도 4는 1×3 열 (413-415) 의 제 1 행이 3 개의 기지국 안테나 (405) 중 제 1 안테나에 대한 채널 특성화 정보로 저장된 제 1 트레이닝 신호 송신 이후의 스테이지를 도시한다. 나머지 2 행은 나머지 2 개의 기지국 안테나로부터의 다음의 2 개의 트레이닝 신호 송신의 채널 특성화 이후에 저장된다. 설명을 위해서 3 개의 트레이닝 신호가 개별적 회수로 송신되었다. 이 3 트레이닝 신호 패턴이 서로 상관되지 않도록 선택되면, 이들은 동시에 전송될 수 있으며 이로써 트레이닝 시간을 감소시킨다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 결국 3개의 파일롯 송신이 완료되고, 각각의 클라이언트 디바이스 (506~508) 는 저장된 행렬 H의 1×3 열 (513-515) 을 기지국 (500) 으로 다시 송신한다. 단순화를 위해, 그것의 특성화 정보를 송신하는 오직 하나의 클라이언트 디바이스 (506) 가 도 5에 도시된다. 적절한 에러 보정 코딩 (예를 들어, Reed Solomon, 비터비, 및/또는 Turbo codes) 과 결합된 적합한 채널 변조 방식 (예를 들어, DPSK, 64QAM, OFDM) 은 기지국 (500) 이 열 (513~515) 내의 데이터를 정확히 수신하도록 보장하기 위해서 사용될 수도 있다.
비록 신호를 수신하는 모든 3개의 안테나 (505) 가 도 5에 도시되었지만, 기지국 (500) 의 단일 안테나 및 송수신기 (transceiver) 가 각각의 1×3 열 (513~515) 송신을 수신하기에 충분하다. 그러나, 각각의 송신을 수신하기 위해 많은 또는 모든 안테나 (505) 및 송수신기 (504) 를 이용하는 것 (즉, 종래 기술인 다중-입력 단일-출력 ("MISO") 처리 기술을 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (503) 에서 사용하는 것) 은 특정한 조건 하에서 단일 안테나 (505) 및 송수신기 (504) 를 이용하는 것보다 더 양호한 신호 대 잡음비 ("SNR") 을 산출한다.
기지국 (500) 의 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (503) 이 각 클라이언트 디바이스 (507-508) 로부터, 1×3 열 (513-515) 을 수신하면, 서브시스템 (503) 은 1×3 열을 3×3 H 행렬 (516) 에 저장한다. 클라이언트 디바이스와 함께, 기지국은 행렬 (516) 를 저장하기 위해 비휘발성 대량 저장 메모리 (예를 들어, 하드 드라이브) 및/또는 휘발성 메모리 (예를 들어, SDRAM) 를 포함하며, 이에 한정되지 않는 다양한 상이한 저장 기술을 이용할 수도 있다. 도 5는 기지국 (500) 이 클라이언트 디바이스 (509) 로부터의 1×3 열 (513) 을 수신하고 저장하는 단계를 도시한다. 1×3 열 (514 및 515) 은 그들이 나머지 클라이언트 디바이스로부터 수신될 때, 전체 H 행렬 (516) 이 저장될 때까지, H 행렬 (516) 로 송신되고 저장될 수도 있다.
기지국 (600) 으로부터 클라이언트 디바이스 (606-608) 로의 DIMO 송신의 일 실시형태를 도 6을 참조하여 설명한다. 각각의 클라이언트 디바이스 (606-608) 는 독립적인 디바이스이기 때문에, 전형적으로 각 디바이스는 상이한 데이터 송신을 수신한다. 이로써, 기지국 (600) 의 일 실시형태는 WAN 인터페이스 (601) 와 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (603) 사이에 통신적으로 위치되고 WAN 인터페이스 (601) 로부터 (비트 스트림으로 포맷된) 다중 데이터 스트림을 소싱하고 (source), 그들을 각 클라이언트 디바이스 (606-608) 를 위해 의도된 개별의 비트 스트림 (u1-u3) 으로 라우팅하는 라우터 (router) (602) 를 포함한다. 잘 알려진 다양한 라우팅 기술이 이런 목적을 위한 라우터 (602) 에 의해 이용된다.
그 다음, 도 6에 도시된 3개의 비트 스트림 (u1-u3) 는 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (603) 으로 라우팅되고 통계적으로 별개인 (distinct) 오류 보정 스트림 (예를 들어, Reed Solomon, 비터비, 또는 Turbo Codes) 으로 코딩되고, (DPSK, 64QAM 또는 OFDM과 같은) 채널을 위한 적절한 변조 방식을 사용하여 변조된다. 또한, 도 6에 도시된 실시형태는 신호 특성화 행렬 (616) 에 기초하여 각각의 안테나 (605) 로부터 송신된 신호를 유일하게 코딩하는 신호 사전 코딩 로직 (630) 을 포함한다. 보다 상세하게는, 일 실시형태에서, (도 1에서 수행된) 각각의 3개의 코딩 및 변조된 비트 스트림을 개별의 안테나로 라우팅하기보다는 사전 코딩 로직 (630) 이 3개의 새로운 비트 스트림 (u'1-u'3)을 생성하는 H 행렬 (616) 의 역행렬로 도 6의 3 개의 비트 스트림 (u1-u3) 을 승산한다. 그 후, 3 개의 사전 코딩된 비트 스트림은 D/A 변환기 (도시되지 않음) 에 의해 아날로그로 변환되고 송수신기 (604) 및 안테나 (605) 에 의해 RF로서 송신된다.
비트 스트림이 클라이언트 디바이스 (606-608) 에 의해 어떻게 수신되는지를 설명하기 전에, 사전 코팅 로직 (630) 에 의해 수행된 동작을 설명한다. 상기한 도 1로부터의 MIMO 실시예와 유사하게, 각각의 3개의 소스 비트 스트림을 위해 코딩되고 변조된 신호가 un 으로 지정된다. 도 6에 도시된 실시형태에서, 각각 의 ui 는 라우터 (602) 에 의해 라우팅된 3개의 비트 스트림 중 하나로부터의 데이터를 포함하고, 각각의 그러한 비트 스트림은 3개의 클라이언트 디바이스 (606-608) 중 하나를 위해 의도된다.
그러나, 각각의 xi 가 각각의 안테나 (104) 에 의해 송신되는 도 1의 MIMO 실시예와 다르게, 도 6에 도시된 본 발명의 실시형태에서는, (채널 내에 잡음 N이 어떠한지와 상관없이) 각각의 ui 가 각각의 클라이언트 디바이스 안테나 (609) 에서 수신된다. 이 결과를 달성하기 위해, 각각의 3개의 안테나 (605) 의 출력 (그 각각을 vi 로 지정함) 은 ui 와 각각의 클라이언트 디바이스를 위한 채널을 특성화하는 H 행렬의 함수이다. 일 실시형태에서, 각각의 vi 는 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (603) 내의 사전 코딩 로직 (630) 에 의해 계산되며, 다음의 식:
Figure 112005042298789-PAT00003
에 의해 수행된다.
따라서, 신호가 채널에 의해 변환된 후 각각의 xi 가 수신기에서 계산되는 MIMO 와 다르게, 본 명세서에 설명된 발명의 실시형태는 신호가 채널에 의해 변환되기 전에 송신기에서 각각의 vi를 푼다. 각 안테나 (609) 는 다른 안테나 (609) 를 위해 의도된 다른 un-1 비트 스트림으로부터 이미 분리된 ui를 수신한다. 각 송수신기 (610) 는 각 수신된 신호를 기저대역으로 변환하고 수신된 신호가 A/D 변환기 (미도시) 에 의해 디지털화되며, 각각의 코딩, 변조 및 신호 처리 서브시스템 (611) 은 그것을 위해 의도된 xi 비트 스트림을 변조하고 디코딩하며, 그 비트 스트림을 데이터 인터페이스 (612) 로 전송하여 클라이언트 디바이스에 의해 (예를 들어, 클라이언트 디바이스 상의 애플리케이션에 의해) 사용된다.
본 명세서에서 설명한 발명의 실시형태는 다양한 상이한 코딩 및 변조 방식을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 주파수 스펙트럼이 복수의 서브 대역으로 분리되는 OFDM 구현에서, 본 명세서에서 설명한 기술은 각각의 개별 서브 대역을 특성화하도록 사용될 수도 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 기초 원리는 어떠한 특정 변조 방식에도 한정되지 않는다.
만약 클라이언트 디바이스 (606-608) 가 PDA, 노트북 컴퓨터, 및/또는 무선 전화기와 같은 휴대용 데이터 처리 디바이스라면 클라이언트 디바이스가 한 지역에서 다른 지역으로 이동할 수도 있으므로 채널 특성화는 빈번하게 변화할 수 있다. 그와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서, 기지국에서의 채널 특성화 행렬 (616) 은 계속적으로 업데이트된다. 일 실시형태에서, 기지국 (600) 은 주기적으로 (예를 들어, 매 250 ㎳마다) 새로운 트레이닝 신호를 각각의 클라이언트 디바이스에 전송하고, (예를 들어, 만약 환경이 채널에 영향을 주도록 변화하거나 또는 클라이언트 디바이스가 이동한다면) 채널 특성화가 정확하게 잔류하는 것을 보장하기 위해서 각각의 클라이언트 디바이스는 계속적으로 그 채널 특성화 벡터를 기지국 (600) 으로 다시 송신한다. 일 실시형태에서, 트레이닝 신호는 각각의 클라이 언트 디바이스에 전송된 실제 데이터 신호 내에 인터리빙된다. 통상적으로, 트레이닝 신호는 데이터 신호보다 훨씬 낮은 대역폭이며, 그래서 이는 시스템의 전체 처리량에 거의 영향을 미치지 않을 것이다. 따라서, 이 실시형태에서, 채널 특성화 행렬 (616) 은 기지국이 각각의 클라이언트 디바이스와 액티브하게 통신함에 따라 계속적으로 업데이트될 수도 있으며, 그로 인해 클라이언트 디바이스가 한 지역으로부터 다음 지역으로 이동함에 따라 또는 환경이 채널에 영향을 주도록 변화하는 경우 정확한 채널 특성화를 유지한다.
도 7에 도시된 본 발명의 일 실시형태는 업스트림 통신 채널 (즉, 클라이언트 디바이스 (706-708) 로부터 기지국 (700) 으로의 채널) 을 개선하기 위해 MIMO 기술을 사용한다. 이 실시형태에서, 각각의 클라이언트 디바이스로부터의 채널은 기지국 내의 업스트림 채널 특성화 로직 (741) 에 의해 계속적으로 분석되고 특성화된다. 보다 상세하게는, 각각의 클라이언트 디바이스 (706-708) 는 N이 클라이언트 디바이스의 수이고 M이 기지국에 의해 사용되는 안테나의 수인 경우에, N×M 채널 특성화 행렬 (741) 을 생성하기 위해 트레이닝 신호를 (예를 들어, 통상적인 MIMO 시스템에서와 같이) 채널 특성화 로직 (741) 이 분석하는 기지국 (700) 으로 송신한다. 도 7에 도시된 실시형태는 기지국의 3 개의 안테나 (705) 및 3 개의 클라이언트 디바이스 (706-708) 를 사용하며 이로써 3×3 채널 특성화 행렬 (741) 이 기지국 (700) 에 저장된다. 도 7에 도시된 MIMO 업스트림 송신은 데이터를 기지국 (700) 으로 재전송하고 채널 특성화 벡터를 도 5에 도시된 바와 같이 기지국 (700) 으로 재송신하기 위해서 클라이언트 디바이스에 의해서 사용된다. 각 클라이언트 디바이스의 채널 특성화 벡터가 별도의 시간에 송신되는 도 5에 도시된 실시형태와는 달리, 도 7에 도시된 방법에서는 다수의 클라이언트 디바이스로부터 기지국 (700) 으로 채널 특성화 벡터가 동시에 송신되며 이로써 채널 특성화 벡터가 복귀 채널 처리량에 미치는 영향을 극적으로 감소시킨다.
상술한 바와 같이, 각 신호의 특성화는 가령 수신기에 대해 내부적인 기준치에 대한 위상 및 진폭, 절대 기준치, 상대 기준치, 특성 잡음 또는 다른 요소를 포함하는 다수의 요소를 포함할 수 있다. 가령, 직교 진폭 변조 (QAM) 로 변조된 신호에서, 특성화는 그 신호의 몇 개의 다중경로 이미지의 위상 오프셋 및 진폭 오프셋의 벡터일 수 있다. 다른 실례로서, OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 로 변조된 신호에서, 특성화는 OFDM 스펙트럼 내의 모든 개별 서브-신호 또는 몇 개의 개별 서브-신호의 진폭 오프셋 및 위상 오프셋의 벡터일 수 있다. 이 트레이닝 신호는 각 클라이언트 디바이스의 코딩 및 변조 서브시스템 (711) 에 의해서 생성되어 (도시되지 않은) D/A 변환기에 의해서 아날로그 형태로 변환되고 이어서 각 클라이언트 디바이스의 송수신기 (710) 에 의해서 기저대역에서 RF로 변환된다. 일 실시형태에서, 트레이닝 신호가 동기화되도록 보장하기 위해서, 클라이언트 디바이스는 기지국에 의해서 요청될 때에만 (가령, 라운드 로빈 방식으로) 트레이닝 신호를 송신한다. 또한, 트레이닝 신호는 각 클라이언트 디바이스로부터 송신된 실제 데이터 신호와 동시에 송신되거나 그 내부에서 인터리빙될 수 있다. 따라서, 클라이언트 디바이스 (706-708) 가 이동형이라도, 트레이닝 신호는 업스트림 채널 특성화 로직 (741) 에 의해서 연속적으로 송신 및 분석될 수 있으며 이로써 채널 특성화 행렬 (741) 이 최신의 상태로 남아 있도록 보장한다.
본 발명의 전술한 실시형태에 의해 지원되는 총 채널 대역폭은 min(M,N) 으로 규정될 수 있는데, 여기서 N은 클라이언트 디바이스의 개수이고 M은 기지국 안테나의 개수이다. 즉, 그 용량은 기지국 측 또는 클라이언트 측 상의 안테나의 개수에 의해 한정된다. 이로써, 본 발명의 일 실시형태는 동기화 기술을 사용하여 min(N,M) 이상의 안테나가 소정의 시간에 송신/수신을 수행할 수 없도록 보장한다.
전형적인 시나리오에서, 기지국 (700) 상의 안테나 (705) 의 수는 클라이언트 디바이스들 (706-708) 의 수보다 적을 것이다. 도 8에서 예시적인 시나리오가 도시되고, 3 개의 안테나 (802) 를 갖는 기지국과 통신하는 5 개의 클라이언트 디바이스들 (804-808) 을 보여준다. 이 실시형태에서, 클라이언트 디바이스들 (804-808) 의 총 수량을 결정하고, (예를 들면, 위에서 설명된 바와 같이) 필요 채널 특성화 정보를 수집한 후에, 기지국 (800) 은 3 개 ( min(N,M)=3이기 때문에 실시예에서는 3 개의 클라이언트임) 의 클라이언트와 통신하기 위하여 3 개의 클라이언트의 제 1 그룹 (810) 을 선택한다. 지정된 기간의 시간 동안 클라이언트의 제 1 그룹 (810) 과 통신한 후에, 기지국은 3개의 클라이언트의 다른 그룹 (811) 과 통신하기 위해 다른 그룹 (811) 을 선택한다. 공평하게 통신 채널을 분배하기 위하여, 기지국 (800) 은 제 1 그룹에 포함되지 않은 2 개의 클라이언트 디바이스들 (807, 808) 을 선택한다. 부가하여, 추가 안테나가 이용가능하기 때문에, 기지국 (800) 은 제 1 그룹에 포함된 추가적인 클라이언트 디바이스 (806) 를 선택한다. 일 실시형태에서, 기지국 (800) 은 각 클라이언트가 시간을 초과하여 동일한 대역폭을 효율적으로 할당하는 방식으로 클라이언트 그룹 사이에서 사이클링한다. 예를 들면, 균일하게 대역폭을 할당하기 위해서, 기지국은 클라이언트 디바이스 (806) 를 제외 (즉, 클라이언트 디바이스 (806) 가 제 1의 2 개의 사이클에 대해 기지국과 통신하도록 지정되었기 때문임) 한 3 개의 클라이언트 디바이스들의 임의의 조합을 선택한다.
일 실시형태에서, 표준 데이터 통신에 부가하여, 기지국은 각각의 클라이언트 디바이스에 트레이닝 신호를 전송하고, 트레이닝 신호와 각 클라이언트 디바이스로부터 신호 특성화 데이터를 수신하기 위한 개선된 기술을 적용할 수 있다.
일 실시형태에서, 특정 클라이언트 디바이스들 즉 클라이언트 디바이스 그룹은 다른 레벨의 대역폭으로 할당될 수 있다. 예를 들면, 클라이언트 디바이스들은 비교적 더 높은 우선 순위의 클라이언트 디바이스들이 비교적 더 낮은 우선 순위의 클라이언트 디바이스들보다 더 많은 통신 사이클 (즉, 넓은 대역폭) 을 보장할 수 있도록 우선 순위를 매길 수 있다. 클라이언트 디바이스의 "우선 순위"는 무선 서비스에 지정된 사용자의 가입 레벨 (예를 들면, 사용자의 가입 레벨은 추가적인 대역폭을 위해 더 많은 비용을 지불할 수 있음) 및/또는 클라이언트 디바이스로/로부터 통신되는 데이터의 형태 (예를 들면, 전화 오디오 및 비디오는 이메일과 같이 실시간이 아닌 통신보다 우선 순위를 갖도록 하는 실시간 통신) 를 포함하여 많은 변수에 기초하여 선택될 수 있다.
기지국의 일 실시형태에서 각 클라이언트 디바이스에 의해 요구된 현재 부하 정도에 기초하여 역동적으로 대역폭을 할당한다. 예를 들면, 만약 클라이언트 디바이스 (804) 가 동영상을 스트리밍하고 다른 디바이스들 (805-808)이 이메일과 같은 실시간이 아닌 기능을 제공한다면, 기지국 (800) 은 클라이언트 (804) 에 상대적으로 넓은 대역폭을 할당할 수 있다. 그러나, 본 발명의 기본적인 원리는 임의의 특정 대역폭 할당 기술에만 한정되는 것은 아니다.
도 9에 도시된 바와 같이, 2 개의 클라이언트 디바이스들 (907, 908) 은 아주 근접하여 있고, 클라이언트의 채널 특성이 실제로 동일하다. 결과적으로, 기지국은 2 개의 클라이언트 디바이스들 (907, 908) 에 대한 실제로 동일한 채널 특성화 벡터들을 수신하고 저장하며, 따라서 유일하고, 공간적으로 분포된 신호를 각 클라이언트 디바이스에 대해 생성할 수 없을 것이다. 따라서, 일 실시형태에서, 기지국은 각각 아주 근접하여 있는 임의의 2 개 이상의 클라이언트 디바이스들이 다른 그룹에 할당되도록 보장할 것이다. 예를 들면, 도 9에서, 기지국 (900) 은 클라이언트 디바이스들 (907 및 908) 이 다른 그룹 내에 있도록 보장하기 위해, 클라이언트 디바이스들 (904, 905, 908) 의 제 1 그룹 (910) 과 우선 통신한 후에 클라이언트 디바이스들 (905, 906, 907) 의 제 2 그룹 (911) 과 통신한다.
이와 달리, 일 실시형태에서, 기지국 (900) 은 동시에 2 개의 클라이언트 디바이스들 (907, 908) 모두와 통신하지만 공지의 채널 멀티플렉싱 (multiplexing) 기술을 이용하여 통신 채널을 멀티플렉싱한다. 예를 들면, 기지국은 시분할 멀티플렉싱 (TDM;time division multiplexing), 주파수 분할 멀티플렉싱 (FDM;frequency division multiplexing), 또는 코드 분할 다중 액세스 (CDMA;code division multiple access) 기술을 이용하여 신호, 즉 클라이언트 디바이스들 (907 및 908) 사이에 단일의 공간적으로 상관된 신호를 분할한다.
상기에서 기술한 각 클라이언트 디바이스가 단일 안테나를 갖추었음에도 불구하고, 본 발명의 기본적인 원리는 처리량을 증가시키기 위해 다수의 안테나를 갖춘 클라이언트 디바이스들을 사용하여서도 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기에서 기술한 무선 시스템에서 사용될 때, 2 개의 안테나를 갖춘 클라이언트는 처리량을 2 배 증가하여 실현될 것이고, 3 개의 안테나를 갖춘 클라이언트는 처리량을 3 배 증가하여 실현될 것이며 이렇게 계속될 것이다 (즉, 안테나들 사이의 공간적 이격 및 각도 상의 분리 정도가 충분하다고 가정하는 경우). 기지국은 다수의 안테나를 갖춘 클라이언트 디바이스를 통하여 사이클링할 때, 동일한 유사 법칙을 적용할 수 있다. 예를 들면, 개별 클라이언트로서 각 안테나를 처리할 수 있고 다른 임의의 클라이언트로서 그 "클라이언트"에 대역폭을 할당할 수 있다 (예를 들면, 각 클라이언트 디바이스에 적절하거나 동등한 통신 주기가 제공되는 경우).
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태는 Near Vertical Incidence Skywave ("NVIS") 시스템 내에 신호 대 잡음 비 및 전송 대역폭을 증가시키기 위해 위에서 상술된 DIMO 및/또는 MIMO 신호 전송 기술을 적용한다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시형태에서, N개의 안테나 행렬 (1002) 을 갖춘 제 1 NVIS 국 (1001) 은 M 개의 클라이언트 디바이스들 (1004) 과 통신하도록 구성된다. NVIS 안테나들 (1002) 과 다양한 클라이언트 디바이스들 (1004) 의 안테나들은 원하는 NVIS를 획 득하고 지상파 방해 특성을 최소화하도록 수직으로 약 15도 각도 내로 신호를 상향으로 송신한다. 일 실시형태에서 안테나들 (1002) 과 클라이언트 디바이스들 (1004) 은 NVIS 스펙트럼 내에서 지정된 주파수 (예를 들면, 23 MHz 이하인 하지만 통상적으로 10 MHz 이하인 반송파 주파수) 에서 상술한 다양한 DIMO 및 MIMO 기술을 사용하여 다중 독립 데이터 스트림을 지원함으로써, 지정된 주파수에서 (통계적으로 독립된 데이터 스트림의 수에 비례하는 배수만큼) 대역폭을 상당히 증대시킨다.
소정의 국을 서비스하는 NVIS 안테나들은 물리적으로 서로 멀리 떨어져 있을 수 있다. 10 MHz 이하의 긴 파장 및 (300 마일 정도의 왕복 경로와 같은) 신호가 이동한 긴 거리 이하의 긴 파장, 수백 100 야드 및 심지어 수 마일 정도의 안테나의 물리적인 이격 거리는 다이버시티 특성에 이점을 제공할 수 있다. 이러한 경우에, 개별적인 안테나 신호들은 종래의 유선 또는 무선 통신 시스템을 사용하여 처리되어 지도록 중앙 지역 (centralized location) 으로 복귀할 수 있다. 이와 달리, 각 안테나는 자신의 신호를 처리하기 위해 지역적 시설 (local facility) 을 가질 수 있고 중앙 지역에 복귀하는 데이터와 통신하기 위한 종래의 유선 또는 무선 통신 시스템을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, NVIS 국 (1001) 은 인터넷 (1010) (또는 다른 WAN) 으로의 광대역 링크 (1015) 를 갖춤으로써 원격, 고속, 무선 네트워크 액세스를 클라이언트 디바이스들 (1003) 에 제공한다.
본 발명의 실시형태들은 상술한 바와 같이 다양한 단계를 포함할 수 있다. 범용 프로세서 또는 특정 프로세서가 소정의 단계들을 수행하게 하는 머신 실행가능한 명령으로 상기 단계들이 구현될 수 있다. 예를 들면, 상술할 바와 같이 기지국과 클라이언트 디바이스들 내에 다양한 구성 부품들이 범용 목적 또는 특정 목적 프로세서 상에서 수행된 소프트웨어로서 수행될 수 있다. 본 발명의 적절한 양상들의 불명료함을 회피하기 위해서, 컴퓨터 메모리, 하드 드라이브, 입력 장치,... 등과 같은 공지된 다양한 개인 컴퓨터 구성부품들이 도면에서 생략되었다.
이와 달리, 일 실시형태에서, 여기에 도시된 다양한 기능 모듈들과 관련된 단계들은 그 단계들을 실현하기 위해 하드와이어된 로직 (hardwired logic) 을 포함하는 예를 들면 주문형 집적 회로와 같은 특정 하드웨어 부품, 또는 프로그램된 컴퓨터 부품 및 주문형 하드웨어 부품의 임의의 조합에 의해 실현될 수 있다.
일 실시형태에서, 위에서 도시된 코딩, 변조 및 신호 처리 로직 (903) 은 텍사스 인스트루먼스사의 TMS320x 아키텍처 (Texas Instruments' TMS320x architecture) (예를 들면, TMS320C6000, TMS320C5000, ... 등) 를 이용한 DSP와 같은 프로그램가능한 디지털 신호처리기 ("DSP") (또는 DSP들의 그룹) 상에서 실현될 수 있다. 이 실시형태에서 DSP는 예를 들면, PCI 카드와 같은 개인용 컴퓨터로의 애드-온 카드 (add-on card) 내에 실장될 수 있다. 물론, 다양한 다른 DSP 구조들이 본 발명의 기본 원리에 따라 여전히 사용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 구성부분들은 또한 기계 실행 명령어를 저장하기 위한 기계판독형 매체로서도 제공될 수 있다. 기계판독형 매체는 전자 명령어를 저장하기 적당한 플래시 메모리, 광 디스크, CD-ROM, DVD ROM,RAM,EPROM,EEPROM, 자기 또는 광 카드, 전파 매체 또는 다른 기계 판독형 매체를 포함하고 그러나 이에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 본 발명은 통신 링크를 경유하는 반송파 또는 다른 전파 매체 (예를 들면, 모뎀 또는 네트워크 연결) 내에서 구현된 데이터 신호의 경로에 의해서 원격 컴퓨터 (예를 들면, 서버) 로부터 서비스 요청 컴퓨터 (예를 들면, 클라이언트) 로 전송될 수 있는 컴퓨터 프로그램으로 다운로딩될 수 있다.
전술한 설명 부분에서 설명의 목적을 위해서 수많은 특정 세부 사항이 제안되어 본 발명의 시스템 및 본 발명의 방법에 대한 철저한 이해를 제공하였다. 그러나, 당업자는 몇몇의 이러한 특정 세부 사항이 없이도 본 발명의 시스템 및 방법이 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위 및 사상은 다음의 청구 범위의 관점에서 판단되어야 한다.
본 발명은 다중 입력 다중 출력 (MIMO) 통신에 있어서 채널 특성화 정보를 생성하여 다수의 안테나를 수용함으로써 보다 큰 신호 대 잡음 비율 및 보다 큰 대역폭 증가를 성취할 수 있다.

Claims (20)

  1. 트레이닝 신호 (training signal) 를 기지국의 각 안테나로부터 다수의 클라이언트 디바이스 각각에 송신하고 상기 클라이언트 디바이스 각각은 상기 각 트레이닝 신호를 분석하여 채널 특성화 데이터를 생성하며 상기 채널 특성화 데이터를 상기 기지국으로 다시 송신하는 단계;
    상기 다수의 클라이언트 디바이스 각각에 대한 상기 채널 특성화 데이터를 저장하는 단계;
    상기 클라이언트 디바이스 각각으로 송신될 데이터를 수신하는 단계;
    상기 데이터를 상기 각각의 클라이언트 디바이스와 연관된 상기 채널 특성화 데이터를 사용하여 사전 코딩하여 상기 기지국의 각 안테나를 위해 사전 코딩된 데이터 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 사전 코딩된 데이터 신호를 상기 기지국의 각 안테나를 통해 상기 각각의 클라이언트 디바이스로 송신하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    트레이닝 신호를 상기 기지국의 각 안테나를 통해서 상기 각 클라이언트 디바이스로 송신하는 단계;
    상기 각 클라이언트가 상기 기지국의 각 안테나로부터의 상기 트레이닝 신호를 독립적으로 처리 및 특성화함으로써 생성된 상기 각 클라이언트 디바이스에 대 한 채널 특성화 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 각 클라이언트 디바이스에 대한 상기 채널 특성화 데이터를 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    새로운 트레이닝 신호를 상기 기지국의 각 안테나를 통해서 상기 각 클라이언트 디바이스로 주기적으로 송신하는 단계;
    상기 각 클라이언트가 상기 기지국의 각 안테나로부터의 상기 새로운 트레이닝 신호를 독립적으로 처리 및 특성화함으로써 생성된 상기 각 클라이언트 디바이스에 대한 새로운 채널 특성화 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 각 클라이언트 디바이스에 대한 상기 새로운 채널 특성화 데이터를 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 새로운 트레이닝 신호는 상기 사전 코딩된 데이터 신호 내에서 인터리빙되는 (interleaved), 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    트레이닝 신호를 상기 기지국의 각 안테나를 통해서 상기 각 클라이언트 디바이스로부터 수신하는 단계;
    상기 트레이닝 신호를 특성화하여 상기 각 클라이언트 디바이스 및 상기 기지국의 각 안테나와 연관된 채널 특성화 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 채널 특성화 데이터를 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각 클라이언트 디바이스로부터 상기 트레이닝 신호를 요청하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 각 클라이언트 디바이스로부터 새로운 트레이닝 신호를 연속적으로 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 사전 코딩된 데이터 신호를 송신하는 단계는,
    상기 다수의 클라이언트 디바이스 내부에서 선택된 제 1 그룹으로 상기 각각의 사전 코딩된 데이터 신호를 송신하는 제 1 송신 단계; 및
    상기 다수의 클라이언트 디바이스 내부에서 선택된 제 2 그룹으로 상기 각각의 사전 코딩된 데이터 신호를 송신하는 제 2 송신 단계를 더 포함하되,
    상기 제 1 그룹 및 상기 제 2 그룹은 원하는 방식으로 대역폭을 할당하도록 규정된, 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 원하는 방식은 대역폭을 균일하게 할당하는 방식, 우선 순위에 따라서 대역폭을 할당하는 방식, 클라이언트 디바이스에 의해 요구된 현재의 부하 정도 (current load) 에 따라서 대역폭을 할당하는 방식 및 다수의 클라이언트 디바이스가 서로 근접하여 위치하는 것을 피하도록 대역폭을 할당하는 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택된 임의의 조합인, 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지국은 멀티플렉싱 기술을 사용하여 2 개의 클라이언트 디바이스와 동시적으로 통신하는, 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 클라이언트 디바이스는 각각이 개별적인 클라이언트 디바이스로서 간주되는 다수의 안테나를 갖는, 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지국의 각각의 안테나로 향하는 개별 비트 스트림들 내부로 입력 데이터를 라우팅하는 단계로서, 상기 개별 비트 스트림 각각은 상기 각각의 클라이언트 디바이스에 대해 의도된, 라우팅 단계;
    상기 채널 특성화 데이터를 채널 특성화 행렬로서 저장하는 단계; 및
    상기 채널 특성화 행렬의 역행렬로 상기 개별 비트 스트림을 승산하여 상기 사전 코딩된 데이터 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 사전 코딩된 데이터 신호를 클라이언트 디바이스에서 수신하는 단계를 포함하되,
    상기 각 사전 코딩된 데이터 신호는 기지국의 다수의 안테나 중 각각의 안테나로부터 상기 다수의 클라이언트 디바이스 각각으로 송신되며,
    상기 각 사전 코딩된 데이터 신호는 입력 데이터와, 상기 각 클라이언트 디바이스 및 상기 기지국의 각 안테나와 연관된 채널 특성화 데이터를 기반으로 하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기지국의 다수의 안테나 각각으로부터 트레이닝 신호를 수신하는 단계;
    상기 트레이닝 신호를 특성화하여 상기 클라이언트 디바이스에 대한 채널 특성화 데이터를 생성하는 단계;
    상기 클라이언트 디바이스에 대한 상기 채널 특성화 데이터를 저장하는 단계; 및
    상기 클라이언트 디바이스에 대한 상기 채널 특성화 데이터를 상기 기지국의 각 안테나로 송신하고 상기 기지국은 상기 클라이언트 디바이스에 대한 상기 채널 특성화 데이터를 사용하여 상기 각각의 사전 코딩된 데이터 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 클라이언트 디바이스는 제 2 안테나를 가지며,
    상기 제 2 안테나는 상기 각각의 사전 코딩된 데이터 신호 및 상기 트레이닝 신호를 수신하는 별도의 클라이언트 디바이스로서 간주되는, 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 트레이닝 신호를 상기 기지국으로 송신하는 단계; 및
    상기 기지국이 상기 트레이닝 신호를 처리 및 특성화하여 상기 채널 특성화 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 다수의 클라이언트 디바이스;
    기지국; 및
    상기 기지국 내의 다수의 안테나를 포함하는 시스템으로서,
    상기 기지국의 상기 각각의 안테나는 각각의 사전 코딩된 데이터 신호를 상기 각 클라이언트 디바이스로 송신하고,
    상기 각각의 사전 코딩된 데이터 신호는 상기 각각의 클라이언트 디바이스 및 상기 기지국의 상기 각각의 안테나와 연관된 채널 특성화 데이터를 사용하여 입 력 데이터를 사전 코딩함으로써 생성되는, 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 채널 특성화 데이터는 상기 각 클라이언트 디바이스가 상기 기지국의 상기 각각의 안테나에 의해 상기 각각의 클라이언트 디바이스로 송신된 트레이닝 신호를 독립적으로 처리 및 특성화함으로써 생성된, 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 채널 특성화 데이터는 상기 기지국이 상기 각 클라이언트 디바이스로부터 상기 기지국의 상기 각 안테나로 송신된 트레이닝 신호를 처리 및 특성화함으로써 생성된, 시스템
  20. 제 17 항에 있어서,
    동기화 기술이 사용되어 소정의 시간에서의 송신 및 수신의 회수를 소정의 회수 이하로 보장하여 총 채널 대역폭을 초과하지 않게 하는, 시스템.
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