KR20110102493A

KR20110102493A - 무선 네트워크에서의 빔 정밀화를 위한 배열

Info

Publication number: KR20110102493A
Application number: KR1020117018032A
Authority: KR
Inventors: 칭후아 리; 후아닝 니우
Original assignee: 인텔 코오퍼레이션
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-09-16
Also published as: TW201041416A; US9155097B2; WO2010078193A3; US8068844B2; EP2377342A4; KR101259305B1; TWI434579B; US8594691B2; US20120040629A1; JP5350490B2; BRPI0923877A2; WO2010078193A2; US20100164802A1; US20140018004A1; CN101808341A; EP2377342A2; JP2012514425A; CN101808341B

Abstract

일부 실시예들에서, 빔 형성 방법이 개시된다. 이 방법은 최대 비율 송신(MRT) 벡터에 의해 정의된 채널을 가진 빔을 전송하는 단계 및 수신기로부터 제1 응답을 수신하는 단계를 포함할 수 있으며, 제1 응답은 송신된 빔과 관련된 파라미터들과 같은 제1 정보를 갖는다. 파라미터들 및 초기 MRT를 이용하여, 다른 지향성 송신이 수행될 수 있다. 유사한 프로세스가 수신기에 대한 최대 결합 비율을 결정할 수 있다. 송신기와 수신기 사이의 셋업 통신은 메모리 또는 계산들 등으로부터 다른 수단들에 의해 취득될 수 있는 데이터를 송신으로부터 생략함으로써 감소될 수 있다. 추가적인 실시예들도 개시된다.

Description

무선 네트워크에서의 빔 정밀화를 위한 배열{ARRANGEMENTS FOR BEAM REFINEMENT IN A WIRELESS NETWORK}

본 발명은 무선 통신 분야에 관한 것으로서, 구체적으로는 네트워크 제어기와 디바이스 사이의 빔 형성의 분야에 관한 것이다.

통상의 무선 네트워크에서는, 다수의 디바이스가 무선 제어기에 의해 서비스되는 영역에 들어갈 수 있으며, 디바이스들과 제어기 사이에 통신이 셋업될 수 있다. 최신의 시스템들에서, 디바이스를 네트워크에 접속하기 위해서는 상당한 오버헤드 특징들 및 기능들이 필요하다. 다수의 네트워킹 가능한 디바이스들 사이의 효율적인 셋업을 촉진하기 위해서는 통신이 효과적으로 구성되고 관리되어야 한다. 따라서, 통상의 무선 네트워크는 액세스 포인트, 피코넷 제어기(PNC), 또는 네트워크 통신을 구성하고 관리하는 통신국(station)과 같은 통신 조정기(communications coordinator) 또는 제어기를 구비한다. 디바이스가 제어기와 접속한 후에, 디바이스는 제어기를 통해 인터넷과 같은 다른 네트워크들에 액세스할 수 있다. 일반적으로, PNC는 개인용 컴퓨터(PC) 또는 개인용 디지털 단말기(PDA)와 같은 하나 이상의 디바이스들과 물리적 채널을 공유하는 제어기로서 정의될 수 있으며, PNC와 디바이스(들) 사이의 통신은 네트워크를 형성한다.

연방 통신 위원회(FCC)는 네트워크 디바이스들이 전송 또는 방출할 수 있는 전력의 양을 제한하고 있다. 네트워크들의 수, 붐비는 방송 채널들(airways), 더 많은 디바이스를 수용하기 위한 요건들 및 저전력 요건들로 인해, 새로운 무선 네트워크 표준들이 계속 개발되고 있다. 게다가, 60GHz로 전송하는 시스템들의 경로 손실이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 상보형 금속 산화물 반도체들(CMOS)은 그들의 낮은 비용 및 저전압 요건들로 인해 네트워크 컴포넌트들의 제조에 보편적이며, CMOS 타입의 전력 증폭기는 그러한 주파수들에서 비효율적이다. 일반적으로, 대부분의 저전력 60 기가헤르쯔(GHz) 통신 시스템들은 수용 가능한 신호 대 잡음비들(SNRs), 따라서 수용 가능한 통신 성능을 달성하기 위하여 지향성 빔 형성 시스템들(directional beam formed systems)을 필요로 한다.

따라서, 밀리미터파들을 통한 지향성 통신을 이용하는 60GHz 범위의 저전력 네트워크 통신을 개발하기 위한 많은 활동이 있어왔다. 전방향 송신(omni-directional transmission)은 일반적으로 점 방사 소스를 제공하는 단일 안테나를 가지므로, 전방향 송신 또는 통신은 지향성 송신과 다르다. 점 소스는 신호 에너지가 물체에 의해 방해되지 않는다면 구면 방식으로 균일하게 전파되는 방사 패턴을 갖는다. 이와 달리, 지향성 통신은 신호를 집중(focus)시키거나 타겟을 향해 신호를 조향(steer)할 수 있으며, 수신기는 그의 감도를 집중시키거나 소스를 향해 그의 감도를 조향할 수 있다. 빔들을 적절한 방향으로 정확하게 조향하고 송신하고 수신하기 위하여, 제어기와 디바이스 사이에서 빔 형성 프로세스 또는 훈련 프로세스(training process)가 구현될 수 있다. 지향성 통신을 달성하기 위하여, 여러 가지의 상이한 지향성 송신 방법들이 이용 가능하다. 그러한 한 가지 방법은 여러 개의 사전 결정된 빔들 사이에서 신호들을 스위칭하는 섹터 안테나(sectored antenna) 접근법을 이용한다. 이 방법은 각각의 안테나 요소의 입력 및 출력 신호들의 위상들을 변경함으로써 송신 및 수신 빔들이 형성되는 위상 안테나(phased antenna) 어레이를 이용할 수 있다. 또 하나의 접근법은 송신 전력을 다수의 전력 증폭기로 분산시키며, 전력 증폭기들의 이득에 기초하여 빔이 적응적으로 조향될 수 있다.

빔 형성은 새로운 최신의 고주파 저전력 네트워크들의 신뢰성 있는 동작을 위해 중요하다. 전통적인 전방향 송신/통신 토폴로지(topology)들은 수 미터 이상의 거리에서는 신뢰성 있는 저전력의, 높은 데이터 레이트의 통신을 제공하지 못한다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 지향성 안테나들 또는 안테나 어레이들은 전방향 안테나들보다 훨씬 높은 (수십 데시벨) 이득들을 제공할 수 있다. 송신기가 원하는 수신기의 방향으로 신호 에너지를 집중시키고, 수신기가 송신 소스의 방향으로 그의 수신 감도를 집중시킬 때, 다른 방향들로부터의 간섭이 완화될 수 있으며, 빔 형성 시스템은 다른 시스템들에 대해 더 적은 간섭을 생성할 것이다.

지향성 송신 시스템은 디바이스들 사이의 증가된 신호 강도 및 수신기가 덜 민감한 방향들로부터 송신하는 디바이스들로부터의 감소된 간섭으로 인해 전방향 시스템들d에 대하여 향상된 성능을 제공할 수 있다. 지향성 링크는 더 높은 안테나 이득으로부터 이익을 얻으므로, 지향성 송신 모드에서는 초당 수 기가비트 정도의 높은 데이터 레이트가 가능하다. 그러나, 이러한 지향성 시스템들은 통상적으로 전통적인 전방향 송신 시스템들보다 셋업이 복잡하고 느리며, 비싸다. 연관(association) 및 빔 교정 프로세스 후에, 디바이스, 제어기 및 인터넷과 같은 다른 네트워크들 사이의 효율적인 데이터 교환이 이루어질 수 있다.

사무실, 사무실 빌딩, 공항 등과 같은 많은 네트워크 환경은, 많은 디바이스가 네트워크에 들어가고, 네트워크에서 나오고, 그리고 네트워크의 제어기에 관하여 이동함에 따라 네트워크 주파수들이 혼잡해지고 있다. 전통적인 시스템들에서의 지향성 통신의 셋업 및 디바이스들의 이동의 추적은 각각의 디바이스에 대한 비교적 길고 비효율적인 연관 시간 및 셋업 시간을 필요로 한다. 개별 네트워크에 대한 사용자들의 수의 그러한 계속적인 증가, 셋업 복잡성 및 오버헤드의 증가는 심각한 문제들을 계속 유발하고 있다.

본 발명의 양태들은 아래의 상세한 설명을 읽을 때 그리고 첨부 도면들을 참조할 때 명확해질 것이며, 도면들에서 동일한 참조 부호들은 유사한 요소들을 지시할 수 있다.
도 1은 네트워크 통신을 셋업할 수 있는 네트워크의 블록도이다.
도 2는 빔을 형성할 수 있는 네트워크의 블록도이다.
도 3은 제어기와 디바이스 사이에 통신을 구성하기 위한 디바이스와 제어기 사이의 정보 교환의 도면이다.
도 4는 네트워크들을 동기화하기 위한 한 가지 배열(arrangement)을 나타내는 흐름도이다.

아래는 첨부 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들의 상세한 설명이다. 실시예들은 본 발명을 명확하게 전달할 수 있을 만큼 상세하다. 그러나, 제공되는 상세의 양은 실시예들의 예상되는 변화들을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 이어지는 설명은 한정이 아니라 설명을 위한 것이며, 본 발명의 다양한 양태들의 충분한 이해를 제공하기 위해 구체적인 구조들, 아키텍처들, 인터페이스들, 기술들 등과 같은 특정 상세들이 설명된다. 그러나, 본 발명의 이익을 갖는 이 분야의 기술자들에게는 본 발명의 다양한 양태들이 그러한 특정 상세들로부터 벗어나는 버전들로 실시될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 특정 예들에서는, 불필요한 상세로 청구 실시예의 설명을 불명확하게 하지 않기 위해 공지 디바이스들, 회로들 및 방법들의 설명은 생략된다. 그 의도는 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 변경들, 균등물들 및 대안들을 커버하는 것이다.

일부 실시예들에서는, 디바이스와 네트워크 제어기 사이에서 데이터를 지향성 송신하기 전에 빔들을 형성하는 것이 요구된다. 대부분의 빔 훈련은 방향, 거리 장애(distance obstructions) 등과 같이 채널에 영향을 미치는 파라미터들에 기초하여 빔들을 원하는 위치들로 지향시키는 반복 프로세스(iterative process)를 이용한다. 이러한 반복 프로세스는 상대적 방향들을 결정하는 단계, 심벌들을 송신하는 단계, 송신에 응답하여 성능 파라미터들을 모니터링하는 단계, 가중치들을 계산하는 단계 및 이전에 얻은 데이터에 기초하여 추가 송신들을 행하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적인 송신들의 송신 파라미터들의 모니터링은 어떠한 미래의 채널 조정이 향상된 통신을 제공할 수 있는지에 관한 통찰을 제공할 수 있다.

따라서, 다양한 연속적 송신 빔들을 모니터링함으로써 얻어지는 채널 특성들은 지향성 통신 성능을 어떻게 개선할지에 관한 정보를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반복 송신들은 이미 공지되었거나 계산들을 통해 결정될 수 있는 데이터를 생성하는 시간과 에너지의 낭비 없이 바람직한 데이터를 드러내도록 간소화될 수 있다. 불필요한 송신들을 생략하는 그러한 프로세스는 수용 가능한 링크 상에서 더 빠르고 효율적으로 수렴할 수 있다. 빔은 안테나 어레이의 각각의 피드 경로에 대한 증폭기 이득 설정들 및 위상 지연들을 조정함으로써 제어될 수 있다.

많은 상이한 경로, 증폭기 및 위상 시프터에 관하여 , 양호한 측정들에 기초하여 양호한 조정들을 제공하는 코드 북 또는 알고리즘은 수용 가능한 통신 채널들을 제공하는 제어들을 빠르게 결정할 수 있다. 따라서, 수용 가능한 한도들을 초과한 다른 파라미터들을 열화시키지 않고, 지정된 한도들을 벗어난 채널 조건들을 교정하도록 맞추어진 빔 제어 신호들 또는 제어 벡터들 및 가중치들의 변경들이 요구된다. 이러한 제어 특징들은 시스템이 수용 가능한 빔 형성 설정에서 빠르게 수렴할 수 있게 한다. 훈련 프로세스 동안, 가중치들은 개시되는 빔 정밀화 프로세스의 다수의 반복 동안에 점진적으로 정밀화될 수 있다. 빔 형성 가중치들 또는 제어 설정들을 변경하고 그러한 설정들을 테스트함으로써 빔에 대한 조정을 행한 후에, 수용 가능한 채널 성능이 언제 달성된 때를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 송신 벡터 및 수신 벡터가 수렴하거나 "서로를 가리킬" 때와 같이 미리결정된 기준들이 충족될 때, 수용 가능한 채널이 달성된 것으로 가정될 수 있으며, 빔 형성 프로세스가 종료될 수 있다. 수용 가능한 제어 설정들 또는 가중치들이 결정된 후에, 가중치들이 저장되고, 디바이스들이 통신할 때마다 이용될 수 있다.

접속된 네트워크 디바이스가 제어기에 관하여 이동하거나(예컨대, 누군가가 공항 또는 도서관에서 다른 좌석으로 이동할 때), 통신 채널이 끊기는 경우에는, 빔 형성 프로세스가 다시 수행되어야 한다는 것을 알 수 있다. 통상의 빔 형성 프로세스는 400 마이크로초 이상이 걸릴 수 있으며, 네트워크 통신은 수용 불가한 양의 시간 동안 중단될 수 있다. 바쁜(busy) 네트워크 제어기를 위해, 빔 형성 훈련 오버헤드를 가능한 한 많이 줄이는 것이 바람직할 수 있다는 것을 알 수 있다.

개시되는 배열들에 따르면, 각각의 빔 형성 훈련 반복은 2개의 단계를 포함할 수 있으며, 제1 단계와 같은 이전 단계들에서 얻어진 데이터가 제2 단계와 같은 후속 단계들에서 이용될 수 있다. 예컨대, 벡터 또는 채널 데이터가 제1 단계로부터 얻어질 수 있으며, 그러한 데이터는 최대 비율 결합(MRC) 가중치들을 결정하는 데 이용될 수 있고, 얻어진 데이터는 최대 비율 송신(MRT) 가중치들의 결정에 이용될 수 있다. 최적의 MRC 가중치들은 "최적의" 수신기 감도 빔을 정의할 수 있으며, 최적의 MRT 가중치들은 "최적의" 송신 빔을 정의할 수 있다.

일반적으로, MRC 가중치들을 찾기 위해, 각각의 안테나 채널로부터의 신호 레벨들이 함께 더해질 수 있고, 각각의 채널의 이득이 평균 제곱근(RMS) 신호 레벨에 비례하게 될 수 있는 "다이버시티(diversity) 결합"이 수행될 수 있다. 게다가, 각각의 채널의 이득은 채널 내의 평균 제곱 잡음 레벨에 역비례하는 값으로 설정될 수 있다. 각각의 채널에 대해 상이한 비례 상수들이 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, MRC 결정은 송신 소스의 방향에서의 수신기 감도를 최대화하는 수신 감소 벡터를 지시할 수 있다. MRC는 비율 제곱 결합 및 사전 검출 결합으로도 지칭될 수 있다.

MRT 가중치들에 대한 해는 수신기를 향해 지향되는 신호 전력을 "최대화"하는 송신 빔 형성 벡터를 지시할 수 있다. MRT 가중치 분석에서, 제어기는 네트워크 디바이스에서 신호 강화 다이버시티(reinforcement-diversity)를 생성하기 위해 다운링크 채널 이득들을 보상하도록 송신 경로들의 속성들을 제어하는 복잡한 가중치들을 조정할 수 있다. 그러한 조정은 수신기가 단일 안테나만을 가질 수 있는 경우에도 달성될 수 있다. 방법을 적응화하기 위해, 업링크에서 순간적인 복잡한 이득들로부터 복잡한 가중치들이 얻어질 수 있지만, 업링크 측정들과 다운링크 송신 사이의 지연 및 주파수 오프셋은 두 방향(송신 및 수신)에서의 이득들 사이의 상관성을 줄일 수 있다. 이득 비상관(de-correlation)의 최종 결과, 다수의 안테나 및 다중 사용자 시스템의 페이드-인 효과에 대한 부정적인 효과들은 개시되는 배열들을 이용하여 최소화될 수 있다. 따라서, 낮은 다운링크 송신 전력이 사용될 때에도 양호한 통신 제어들이 달성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 연속적인 반복들(계산들)은 (이전의 계산들로부터의) 과거의 결과를 이용할 수 있으며, 연속적인 반복들은 향상된 MRT 및 MRC 가중치들을 제공하는 향상된 값들을 제공할 수 있다. MRC 및 MRT 가중치들을 계산할 때 단일 데이터 스트림이 가정될 수 있다. 그러나, 개시되는 배열들에 대한 사소한 변경들을 이용하여, 다수의 데이터 스트림에 대한 계산이 수행될 수 있다. 개시되는 배열들은 수용 가능한 통신 채널들을 달성하는 데 필요한 부담스러운 훈련 오버헤드를 달성하는 데 필요한 시간, 에너지, 자원, 오버헤드 등의 양을 줄일 수 있다. 현재, 최신의 60GHz 무선 시스템들에서 가장 효율적인 빔 정밀화 방법은 초안 사양들에서 정의되는 멱 반복 프로세스(power iteration process)이다. 개시되는 배열들은 이전의 반복들로부터의 데이터를 이용함으로써 최소의 추가 하드웨어를 이용하여 훈련 오버헤드를 줄임으로써 멱 반복을 개선한다.

일부 실시예들에서, 개시되는 배열들은 전통적인 지향성 시스템들에 의해 사용되는 훈련 프로세스의 중복 부분들 또는 유용하지 않은 부분들을 바이패스(bypass)할 수 있다. 그러한 바이패스는 반복 프로세스에서의 훈련 패턴들을 덜 완벽한 성능을 가진 채널의 영역들 또는 개선을 필요로 하는 영역들에 대한 가능한 개량들을 나타내는 패턴들에 집중시킴으로써 달성될 수 있다. 개시되는 배열들은 송신 채널 품질 및 수신 채널 품질에 기초하여 상이한 송신 프로토콜들을 구성할 수 있다. 보다 구체적으로, 섹터 스위프(sector sweep) 또는 코스 조정(course adjustment)과 같은 초기 교정 후에, (디바이스 및 제어기 모두에 대해) 빔 정밀화 프로세스에서 송신되는 훈련 심벌들의 수가 N_t로부터 N_t-1로 감소할 수 있다.

전통적인 시스템들에서, 어레이 내의 단일 송신 안테나에 대한 훈련은 각각의 반복을 위해 각각의 송신 안테나에 대한 가중치를 생성한다. 이러한 프로세스는 "과다(overkill)"하며, 따라서 비효율적이다. 본 배열들에 따르면, 그러한 노력을 들일 필요가 없다. 더욱이, 빔 형성 노력의 감소는 빔 훈련 오버헤드를 줄일 수 있다. 수신기 및 송신기에 대해 이용 가능한 빔 형성 가중치들은 벡터들 u 및 v로 표시될 수 있다. 한 번의 과정(pass)에서, 제어기는 송신기일 수 있고, 디바이스는 수신기일 수 있으며, 또 한 번의 과정에서는 제어기 및 디바이스가 입장을 바꿔서, 디바이스가 송신기일 수 있고, 제어기가 수신기일 수 있다.

위에서 암시된 바와 같이, 무선 네트워크에서 네트워크 통신 제어기(NC)와 하나 이상의 디바이스 사이의 효율적인 셋업 및 통신을 제공할 수 있는 시스템들, 디바이스들, 방법들 및 컴퓨터 판독 가능 매체들의 형식으로 배열들이 개시된다. 무선 네트워크에 대한 통신 셋업 및 관리는 비컨화(beaconing), 디바이스 발견, 위치 검출, 탐지(probing), 연관 요청들, 연관 수신 응답들, 허가 요청들, 허가 수신 응답들, 빔 형성 및 다른 오버헤드 기능들과 같은 프로세스들을 포함할 수 있다.

디바이스가 제어기에 의해 서비스되는 영역에 들어갈 때, 제어기에 관한 디바이스의 상대 위치가 알려지지 않을 것이라는 것을 알 수 있다. 바쁜 네트워크에서는, 빔 형성 제어 벡터들 또는 파라미터들이 빠르고 정확하게 결정될 수 있도록 상대적 방향들을 빠르게 결정할 수 있는 효율적인 디바이스 접속 프로세스를 수행하는 것이 바람직하다. 그러한 셋업 프로세스는 디바이스와 제어기 사이의 일반적인 위치 관계들을 결정하기 위한 "섹터 스위프"에 이어서, 빔들을 정확하게 집중시키는 훈련 시퀀스 또는 빔 정밀화 프로세스(훈련)를 포함할 수 있다. 개시되는 배열들은 이전 단계에 의해 결정되거나 이전 단계에서 측정된 바와 같은 채널의 품질에 기초하여 훈련 프로세스를 맞춤화함으로써 빠르고 효율적인 빔 정밀화 배열들을 제공한다.

그러한 셋업을 다루기 위하여, IEEE 802.15.3c, ECMA TG20, WiHD, NGmS 및 802.11 VHT를 포함하는 여러 표준화 단체가 초당 기가바이트(Gbps) 60GHz 또는 밀리미터파 통신을 이용하는 네트워크들에 대한 네트워크 통신을 셋업하기 위한 표준들에 대해 검토 및/또는 작업하고 있다. 일반적으로, 60GHz 범위에서의 송신에 대한 경로 손실은 매우 높으며, 따라서 원하는 10미터 커버리지를 달성하기 위해서는 데이터의 지향성 송신이 중요하다. 또한, 신뢰성 있는 데이터 통신에 필요한 신호 대 잡음비(SNR)를 달성하기 위해서는 송신 및 수신 빔 형성으로부터의 어레이 이득이 중요하다.

저전력 기가헤르쯔 통신을 구현하기 위하여, 위상 안테나 어레이를 갖는 디바이스 및 제어기는 파라미터들을 취득하고, 어떠한 지향성 빔 송신들이 수용 가능한 결과들을 제공하는지를 학습할 수 있다. 그러한 지향성 송신들을 제공하기 전에, 빔을 제어하는 제어 벡터들이 반복 학습 프로세스 동안에 결정될 수 있다. 이러한 학습 프로세스는 지향성 검색 및 지향성 데이터 취득 또는 빔 검색 및 취득 프로세스를 포함할 수 있다. 수용 가능하고, 종종 최적인 네트워크 송신들에 대한 SNR들을 제공할 수 있는 제어 기능들이 결정된 때, 빔 훈련 프로세스가 종료될 수 있고, 데이터 통신이 시작될 수 있다. 위상 어레이 안테나들에 대한 표준 위원회들에 의해 개발되고 정밀화되고 있는 현재 또는 최신의 빔 검색 및 정밀화 토폴로지들은 현재의 채널 성능에 관계없이 모든 단계에서 모든 경우에 대해 포괄적인 프로세스를 수행하는(즉, 채널이 최상의 상태이거나 최악의 상태인 경우에도 프로세스가 동일한) 포괄적인 반복 접근법에 기초한다.

최악의 경우를 "가정하는" 이러한 전통적인 프로세스 성향은 하나의 전방향 수신 안테나만을 갖는 시스템들에서도 상당한 시간, 에너지 및 자원들을 불필요하게 소비한다. 표준화된 빔 검색은 섹터 스위프와 함께 시작되어, 디바이스와 제어기 사이의 일반적인 상대 방향을 결정할 수 있으며, 이어서 최악의 경우 조건들을 해결하는 빔 정밀화 단계들이 연속 실행된다. 일반 빔 방향이 제어기 및 디바이스에 의해 취득된 후에, 종종 채널 조건들은 양호하며, 본 발명에 따르면, 빔 정밀화 프로세스는 "양호한" 채널 조건들에 대해 맞춤화되어, 채널 셋업을 완료하기 위한 시간을 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다.

개시되는 배열들에 따르면, 제어기 및 디바이스 모두가 양호하게 교정된 위상 어레이들을 갖는 경우, 표준 또는 전통적인 정밀화 프로세스의 작은 서브세트를 이용하여 수용 가능한 통신 채널이 형성될 수 있다. 따라서, 채널 파라미터들이 모니터링될 수 있으며, 빔 정밀화 프로세스의 후속 단계는 최소의 시간 및 에너지를 필요로 하지만, 채널 조건들에 대한 상당한 지식 또는 개선을 제공할 수 있다. 그러한 맞춤화되고 축소된 셋업 프로세스는 무선 네트워크의 오버헤드를 크게 줄일 수 있다. 그러나, 섹터 스위프가 최소의 섹터들을 테스트하고, 위상 어레이들 또는 프론트 엔드(front end)들이 교정되지 않은 상황과 같은 일부 상황들에서는, 상당한 빔 형성 훈련 또는 정밀화가 필요할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는, 고속 네트워크 통신을 달성하기 위해, 검출된 채널 조건들 또는 취득된 채널 파라미터들에 기초하는 빔 정밀화 프로세스의 맞춤화가 개시된다.

네트워크 통신에 대한 효율적인 셋업을 가능하게 하는 많은 실시예가 개시된다. 일 실시예에서, 빔 형성 방법은 다수의 방향으로 순차적인 빔 송신들을 수행하는 단계 및 순차적 송신들을 수신하는 디바이스에 의해 전송되는 후속 빔 송신들에 대한 응답을 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 응답 송신들은 수신기에 의해 결정된 바와 같은 도달 방향, 신호 대 잡음비(SNR), 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR), 신호 강도 등과 같은 오리지널 송신에 관한 파라미터들을 포함할 수 있다. 이전 프로세스들로부터의 데이터 및 피드백을 이용하여, 송신기는 적절한 방향으로 빔을 제어하는 벡터들을 결정하고 저장할 수 있다. 송신기는 또한 피드백에 기초하여 다음 훈련 단계를 위한 맞춤화된 "테스트 시퀀스"를 결정할 수 있다. 이어서, 하나 이상의 이전 반복들로부터의 결과들 또는 데이터에 기초하여, 제어 벡터들이 다시 정밀화/조정 또는 교정될 수 있다. 맞춤화된 훈련 단계들은 특정 방향으로 전송된 심벌들의 최소 세트를 갖는 송신으로부터 파라미터들을 취득할 수 있으며, 이러한 파라미터들은 빔 제어, 따라서 채널 조건들을 개선하는 데 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 송신기가 하나 이상의 통신 파라미터들을 취득한 후에, 파라미터들은 저장된 파라미터들, 메트릭들(metrics) 또는 사전 결정된 파라미터 한도들과 비교될 수 있으며, 하나 이상의 취득된 파라미터들이 특정 범위 내에 있거나 그러한 사전 결정된 한도들에 또는 그 위에 또는 그 아래에 있을 때, 빔 형성 프로세스가 종료될 수 있으며, 고속 네트워크 통신이 수행될 수 있다. 그러한 기존 파라미터 데이터의 사용 및 언제 종료할지를 결정하기 위한 모니터링은 기존 빔 형성 프로세스들을 개선할 수 있다.

따라서, 모니터링이 덜 바람직한 SNR이 존재함을 나타내는 경우, 최대 훈련 프로세스가 수행될 수 있지만, 모니터링이 바람직한 SNR 또는 SINR을 나타내는 경우에는 일부 레벨의 축소된 훈련 프로세스가 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, 모니터링이 특정 방향의 빔이 수용 가능한 통신 채널을 제공하고, 교정된 어레이들이 존재함을 나타내는 경우, 빔 훈련 프로세스는 상당히 축소될 수 있다. 따라서, 검출된 파라미터들은 어떠한 맞춤화된 빔 훈련 프로세스가 구현될지를 지시할 수 있으며, 따라서 무선 네트워크들의 오버헤드를 크게 줄일 수 있다.

본 명세서에서는, 채널 조건들에 관한 정보를 수집할 수 있고, 채널 조건들에 기초하여, 맞춤화된 빔 형성 계산들을 수행하여 유용한 데이터를 생성할 수 있는 다수의 스킴(scheme)이 개시된다. 일부 실시예들에서는, 채널에 대한 SNR 및/또는 SINR이 추정될 수 있고, 이러한 추정에 기초하여, 빔 훈련 프로세스를 완료하는 데 필요한 오버헤드가 크게 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 어레이들 중 하나 또는 모두가 교정되는지를 결정할 수 있으며, 그에 따라 분석이 맞춤화될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 빔 형성 셋업을 완료하기 위한 프로세스가 이전에 결정된 정보에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 수신기 데이터에 대한 지식 없이 송신기에 의해 채널 정보가 명시적으로 또는 암시적으로 전송될 수 있다. 예컨대, 송신기는 송신기에서 송신 및/또는 수신 안테나 어레이(들)가 교정된 것을 알리는 메시지를 수신기로 명시적으로 전송할 수 있다.

다른 예에서, 송신기는 교정 조건들: 교정된 송신, 교정된 수신, 교정되지 않은 송신 및 교정되지 않은 수신 안테나 어레이들을 암시적으로 지시하기 위해 상이한 훈련 시퀀스들을 전송할 수 있다. 하나의 디바이스의 교정 정보가 다른 디바이스에 의해 추정될 때, 섹터 스위프로부터 얻어진 SNR들 또는 SINR들이 추정에 이용될 수 있다. 예컨대, 하나의 섹터가 다른 섹터들보다 상당히 높은 SNR을 갖는 경우, 전방향 수신기를 이용하는 수신기는 송신 안테나 어레이가 교정된 것으로 생각할 수 있다. 교정 정보가 취득된 후에, 이에 따라 후속 훈련 프로세스에서 사용되는 빔 훈련 시퀀스가 최적화되고 선택될 수 있다.

일부 실시예들에서, 훈련에서의 제1 과정은 이전에 취득된 시스템 정보에 기초하여 수행될 수 있으며, 이어서 제1 교환 동안에 동일하거나 추가적인 시스템 정보가 취득될 수 있고, 그러한 정보를 이용하여, 후속 과정 동안에 사용될 시퀀스를 선택 또는 결정할 수 있다. 이러한 반복 프로세스는 수용 가능하고 아마도 최적화된 통신을 제공하는 빔들을 빠르게 형성할 수 있다. 달리 말하면, 제1 훈련 프로세스가 선택되고 구현된 후에, 추가적인 송신들이 수행될 수 있고, 추가적인 파라미터들이 얻어질 수 있으며, 이러한 제2 반복에 기초하여 다른 훈련 프로세스가 선택되고 구현될 수 있다. 더 많은 계산이 수행되더라도, 일부 송신들이 감소 또는 제외될 수 있으며, 따라서 대부분의 무선 네트워크들에 대한 오버헤드 및 셋업 시간이 감소할 수 있다.

도 1을 참조하면, 무선 네트워크(WN)(100)의 기본 구성이 도시되어 있다. WN(100)은 제1 네트워크 제어기(NC)(104), 디바이스 A(106), 디바이스 B(108), 디바이스 C(132), 디바이스 D(134), 및 네트워크에 연결하기를 원하는 디바이스인 디바이스 E(109)를 포함할 수 있다. 각각의 디바이스는 안테나 어레이들(112, 113, 114, 115)로 도시된 조향 가능 안테나 시스템을 구비할 수 있다. NC(104) 및 디바이스 E(109)는 빔 제어기(116, 124), 프론트 엔드 또는 송수신기(TX/RX)(118, 126), 비교/구성 모듈(120, 128) 및 센서 모듈들(122, 130)을 포함할 수 있다. NC(104) 및 디바이스 E(109)가 안테나 어레이(112, 114)와 함께 도시되지만, 더 많거나 적은 안테나들 또는 단일 고지향성 안테나와 같은 다른 하드웨어가 이용될 수 있다. NC(104)는 NC(104)와, 디바이스 A(106, B(108), C(132), D(134) 및 E(109)와 같은 디바이스들 사이의 통신 셋업을 용이하게 할 수 있다. NC(104)는 디바이스 E(109)와 같은 디바이스들과 근접하게(15미터 미만) 배치되고, 디바이스 E(109)는 NC(104)의 비지향성 셋업 송신들을 검출할 수 있으며, NC(104)는 디바이스 E(109)의 비지향성 셋업 송신들을 검출할 수 있는 것으로 가정할 수 있다.

WN(100)은 무선 근거리 네트워크(WLAN) 또는 무선 개인 영역 네트워크(WPAN) 또는 IEEE 802 표준들의 세트 중 하나 이상에 따르는 다른 네트워크일 수 있다. NC(104)는 인터넷(102)과 같은 하나 이상의 네트워크에 접속될 수 있다. 일부 실시예들에서, WN(100)은 디바이스들과의 공유 물리 채널들을 점유하는 피코넷(piconet) 제어기를 갖는 디바이스들의 집합을 정의하는 피코넷일 수 있다. 일부 실시예들에서, 개인용 컴퓨터와 같은 디바이스가 NC(104)로서 셋업될 수 있으며, 이어서 나머지 디바이스 A(106), B(108), C(132), D(134) 및 E(109)가 NC(104)에 의해 효율적으로 관리될 수 있는 빔 형성과 같은 제어/관리 기능들을 통해 WN(100)에 "접속"될 수 있다.

개시되는 시스템(100)은 채널 조건들에 기초하여 빔 형성 훈련 시퀀스를 적응시킬 수 있다. 제어기들에 의해 계산들이 수행될 수 있으며, 계산들을 위해 데이터가 필요할 때, "레시피(recipe)" 기반 송신들이 아닌 다른 방법들을 이용하여 데이터가 취득될 수 있다. 개시되는 시스템은 전통적인 시스템들에 비해 전체 시스템 시동 효율을 크게 개선할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프론트 엔드 송수신기(TX/RX)들(118, 126) 및 빔 제어기들(116, 124)은 반복 훈련 단계들의 일부로서 섹터 스위프 동안에 또는 시퀀스 송신 동안에 전방향 및 지향성 송신들을 수행할 수 있다.

일부 실시예들에서, 프론트 엔드 송수신기(118)는 훈련 루틴들을 송신할 수 있으며, 수신된 것에 기초하여, 디바이스 E(109)는 측정된 빔 형성 채널 이득을 지시하는 송신을 반송할 수 있다(즉, 피드백을 제공할 수 있다). 다른 실시예들에서, 예컨대, 주어진 MRC 벡터에 대해, 수신기는 MRT 벡터를 양자화할 수 있고, MRT 벡터에 대한 값들을 송신기로 피드백한다. 이어서, 송신기는 이전의 MRT 벡터와 직교하는 피드백된 MRT 벡터 내의 하나 이상의 컴포넌트를 계산할 수 있다. 일반적으로, 전체 채널 행렬이 시스템에서 관찰/이용 가능한 것이 아니라, 채널 행렬에 대한 일부 정보가 반복으로부터 이용 가능하다. 개시되는 배열들은 각각의 반복의 양 및 지속 기간을 최소화하기를 요구하며, 다른 수단에 의해 이용 가능한 데이터를 전송하는 송신들을 최소화함으로써 이를 달성할 수 있다. 따라서, 중첩하는 송신 정보가 최소화되거나, 중첩하는 데이터의 송신이 가능한 한 적게 수행되어, 반복에서의 정보 교환의 총 양이 최대화될 수 있다.

훈련 송신들 동안, 센서들(122, 130)은 통신 파라미터들을 측정할 수 있으며, 최대 비율 결합(MRC) 가중치들 및 최대 비율 송신(MRT) 가중치들의 결정을 도울 수 있다. 센서들(122, 130)에 취득된 데이터는 채널 성능을 어떻게 개선할지를 계산할 수 있는 구성/비교 모듈들(120, 128)에 의해 이용될 수 있으며, 계산들에 기초하여, 구성/비교 모듈들(120, 128)은 MRC 가중치들 및 MRT 가중치들을 결정할 수 있다. 후속 시퀀스 송신들은 추정된 MRC 및 MRT 가중치들에 기초하여 맞춤화되어서, 네트워크에 들어가는 디바이스에 대한 셋업 시간 및 오버헤드를 크게 줄일 수 있다. 전통적인 시스템들이 버리는 정보를 이용하는 가중치들의 계산은 종종, 요구되는 송신들을 현재의 빔 형성 훈련 시스템들에 의해 요구되는 송신들의 서브세트로 줄일 수 있다. 위원회들에 의해 현재 지정되고 있는 최신의 훈련 시스템들조차도 이전의 반복들에서 얻어진 데이터를 이용하지 않는다. 따라서, 과거의 채널 파라미터들이 훈련 분석에서 사용될 때, 채널 파라미터들을 취득하기 위해 전통적으로 수행되는 송신들이 생략될 수 있다.

NC(104)는 WLAN, 무선 이동 애드혹 네트워크(WMAN), WPAN, WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access), 핸드헬드 디지털 비디오 방송 시스템(DVB-H), 블루투스, 초광대역(UWB), UWB 포럼, Wibree, WiMedia Alliance, 무선 고화질(HD), 무선 균일 직렬 버스(USB), 선 마이크로시스템즈 스몰 프로그래머블 객체 기술(Sun Microsystems Small Programmable Object Technology) 또는 선 스포트(SUN SPOT) 및 직비(ZigBee) 기술들을 이용하는 셀룰러 디바이스, 핸드헬드, 랩탑 또는 데스크탑 컴퓨팅 디바이스들과 같은 무선 핸드셋들을 포함하는 대부분의 무선 기술들과의 통신 셋업 및 통신을 지원할 수 있다는 알 수 있다. WN(100)은 또한 단일 안테나, 섹터 안테나들 및/또는 다중 입력 다중 출력 시스템들(MIMO)과 같은 다중 안테나 시스템들과도 호환될 수 있다.

동작시, 디바이스 E(109)는 네트워크 영역에 들어갈 수 있거나, 그 영역 내에서 파워 업될 수 있다(powered up). 디바이스 E(109)는 NC(104)에 의해 수행되는 주기적인 비컨 송신을 청취할 수 있다. 비컨 송신의 수신에 기초하여, 디바이스 E(109)는 빔 훈련 프로세스가 개시될 수 있을 때 연관 요청 신호를 NC(104)로 송신할 수 있다. 일반적으로, NC(104) 및 디바이스 E(109)는 비컨을 전송하기 위해 특정 주파수들을 모니터링하고 이용할 수 있으며, 비컨은 빔 형성 프로세스를 위한 송신들을 동기화하는 데 이용될 수 있는 네트워크 타이밍 할당 정보를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디바이스 E(109)가 네트워크(100)에 연결하려고 시도하고 있을 때, 디바이스 E(109) 및 NC(104)는 링크 예산(link budget) 및 어레이 교정의 품질을 결정한 후에 빔 형성 동안에 시퀀스 길이를 구현할 수 있다.

먼저, 구성/비교 모듈(120)은 프론트 엔드 모듈(118) 및 빔 제어기(116)를 제어하여, 순차 송신들을 통해 상이한 섹터들에서 빔들을 송신할 수 있다. 이것은 섹터 스위프로서 지칭될 수 있다. 섹터 맵(110)은 NC(104) 주위의 상대적 방향들을 8개의 섹터로 분할하였다. 디바이스 E(109)는 시간 슬롯들을 할당받을 수 있으며, 섹터를 시퀀스를 저장하고, 그러한 정보를 이용하여 각각의 섹터에서의 송신들의 파라미터들을 취득할 수 있다. 더 많거나 적은 섹터들 또는 거의 모든 배향이 사용될 수 있으므로, 섹터들의 수 및 배향은 한정적인 특징이 아니다. 섹터 스위프 동안에, 디바이스 E(109)의 프론트 엔드(126)는 섹터 스위프의 신호들을 수신할 수 있으며, 센서(130)는 가능한 채널들의 파라미터들을 검출 또는 취득할 수 있다. 필요하지는 않지만, 빔 훈련 프로세스를 개시하기 위하여, 구성 모듈(120)은 프론트엔드 모듈(118) 및 빔 제어기(116)를 제어하여, 순차 송신들을 통해 상이한 섹터들에서 빔들을 송신할 수 있다. 이것은 섹터 스위프로서 지칭될 수 있다. 섹터 맵(110)은 NC(104) 주위의 상대적 방향들을 8개의 섹터로 분할하였다. 디바이스 E(109)는 시간 슬롯들을 할당받을 수 있으며, 섹터 시퀀스를 저장하고, 그러한 정보를 이용하여 각각의 섹터에서의 송신들의 파라미터들을 취득할 수 있다. 더 많거나 적은 섹터들 또는 거의 모든 배향이 사용될 수 있으므로, 섹터들의 수 및 배향은 한정적인 특징이 아니다. 섹터 스위프 동안에, 디바이스 E(109)의 프론트엔드(126)는 섹터 스위프의 신호들을 수신할 수 있으며, 센서(130)는 가능한 채널들의 파라미터들을 검출 또는 취득할 수 있다.

NC(104)가 섹터들 1, 2, 7 및 8에서 송신할 때, 디바이스 E(109)는 이해 가능한 신호를 수신하지 못할 수 있으며, 이러한 섹터들에서 NC(104)에 의해 수행된 송신의 SNR은 센서(130)에 의해 불량하거나, 바람직하지 않거나, 수용 불가한 것으로서 추정 또는 결정될 수 있다는 것을 알 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서(130)는 취득된 섹터 관련 데이터를 구성/비교 모듈(128)로 전송할 수 있으며, 구성/비교 모듈(128)은 취득된 데이터를 사전 결정된 메트릭들과 비교하여, 섹터들을 순위화하고, 어느 섹터가 최상의 통신 파라미터들을 갖는지를 결정할 수 있다. 이어서, 구성/비교 모듈(128)은 NC(104)에 어느 섹터가 최상의 통신 특성들을 제공하는 것으로 보이는지를 나타내는 반송을 개시할 수 있다.

일례에서, 센서(130)는 섹터 5에서 NC(104)에 의해 전송된 송신을 수신할 수 있고, 구성/비교 모듈(128)은 섹터 5에서의 NC(104)에 의한 송신들이 매우 높거나 바람직한 SNR 비를 갖는 것으로 결정할 수 있다. 디바이스 E(109)는 이러한 정보를 NC(104)에 전송할 수 있으며, 섹터 스위프 후에, 추가적인 빔 정밀화 처리가 개시될 수 있다. 매우 낮은 SNR이 결정되는 섹터 송신들에서, 이러한 섹터들은 바람직하지 못한 섹터들로서 태깅될 수 있다(tagged).

마찬가지의 프로세스에서, 디바이스 E(109)의 구성/비교 모듈(128)은 프론트 엔드 모듈(126) 및 빔 제어기(124)를 제어하여, 결정된 MRT 및 MRC에 기초하여 순차 송신들을 통해 상이한 섹터들에서 빔들을 송신 또는 수신할 수 있다. 디바이스 섹터 맵(111)이 디바이스 E(109)에 의해 섹터 스위프를 체계화하는 데 이용될 수 있다. NC(104) 및/또는 디바이스 E(109)에 의해 어레이를 제어함으로써 섹터 스위프가 수행될 수 있다. NC(104)는 섹터 인덱스, 훈련 시퀀스 및 타이밍 배열들을 저장할 수 있으며, 그러한 동기화 데이터를 이용하여 각각의 섹터에서 디바이스 E(109)에 의해 수행된 송신들의 파라미터들을 취득할 수 있다. 섹터 스위프 동안에, NC(104)의 프론트 엔드(118)는 섹터 스위프의 신호들을 수신할 수 있으며, 센서들(122, 130)은 잠재적으로 수용 가능한 채널들의 파라미터들을 검출 또는 취득할 수 있고, 이러한 파라미터들은 디바이스 E(109)에 반송될 수 있으며, 디바이스 E(109)는 이러한 파라미터들을 이용하여, 빔을 개선할 수 있고, 따라서 통신 채널을 개선할 수 있다. 일반적으로, 섹터 스위프는 송신기가 타겟 수신기의 상대 방향을 결정할 수 있게 하며, 수신기가 송신기로부터의 도달 방향을 결정할 수 있게 한다. 그러한 파라미터는 송신 및 수신 안테나 어레이의 이득이 송신 소스의 상대 방향에서 "최적화"될 수 있게 한다. 구성/비교 모듈들(120, 128)은 신호 경로들의 위상 길이들을 변경할 수 있는 벡터들 또는 제어 벡터들을 조향함으로써 신호 송신을 조향할 수 있으며, 원하는 신호들을 가간섭적으로(coherently) 증폭하여 원하는 방향의 빔들을 생성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 빔 조향을 달성할 수 있는 시스템(200)이 블록도 형태로 도시되어 있다. 시스템(200)은 디지털 기저대역 송신기(Tx)(202), 디지털 기저대역 수신기(Rx)(204), 증폭기들(206, 207), 위상 시프터들(208, 210) 및 안테나들(212, 214)을 포함할 수 있다. 간략화를 위해, 하나의 송신 경로(216) 및 하나의 수신 경로(218)만이 설명된다는 것을 알 수 있다. 그러나, 원하는 안테나 이득을 달성하기 위해, 많은 상이한 경로가 이용될 수 있다. 일반적으로, 더 많은 경로 및 안테나는 송신 또는 수신 시스템에 의해 달성될 수 있는 더 많은 이득을 이용한다.

디바이스 및 제어기 양자에 대해 "최상의" 섹터가 (아마도, 취득된 낮은 SNR에만 기초하여) 선택된 후에, 빔 정밀화 프로세스가 개시될 수 있다. 매우 낮은 SNR 영역들을 갖는 섹터들에서도 빔 검색 또는 빔 정밀화가 수행될 수 있다. 그러한 영역들에서는, 바람직한 레벨로의 확산 이득을 얻기 위해, "칩들(chips)"이라고 하는 긴 의사 잡음(pseudonoise)(PN) 코드 심벌 시퀀스들이 요구될 수 있다. 긴 PN 시퀀스를 이용하여, 사용중인 SNR을 포지티브 영역으로 "당길(pull)" 수 있으며, 따라서 제어기 및 디바이스는 충분히 정확한 채널 추정 결과들을 취득할 수 있다. 심벌 생성기(220)는, 각각의 심벌이 정보 비트 또는 데이터보다 훨씬 짧은 지속기간을 갖는, PN 코드 심벌들의 연속 스트링을 이용하여 사인파를 의사 랜덤하게(pseudorandomly) 위상 변조할 수 있다. 즉, 각각의 정보는 훨씬 더 빠른 칩들의 시퀀스에 의해 변조된다. 따라서, 칩 레이트는 정보 신호 비트 레이트보다 훨씬 높다.

따라서, 빔 형성의 일부로서, 송신기(202)는 송신기(202)에 의해 생성된 칩들의 시퀀스가 수신기(204)에 의해 연역적으로 공지되는 신호 구조를 이용할 수 있다. 이어서, 수신기(204)는 동일한 PN 시퀀스를 이용하여, 수신된 신호 상의 PN 시퀀스의 효과를 상쇄시켜, 정보 신호를 재구성하고, 채널의 품질을 결정할 수 있다. 이어서, 파라미터 추정 모듈(222)은 채널의 신호 대 잡음비와 같은 채널 파라미터들을 추정할 수 있으며, MRC 및 MRT에 관한 행렬 연산들/계산들을 수행할 수 있다.

섹터 스위프들, 취득된 파라미터들 및 추정된 MRC 및 MRT에 기초하여, 파라미터 추정 모듈(222)은 송신기(202)로부터 맞춤화된 PN 시퀀스들을 호출할 수 있다. 그러한 맞춤화된 시퀀스들은 전통적인 심벌 송신의 작은 서브세트일 수 있다. 제어 신호들(224)이 증폭기(206)와 같은 증폭기들 및 위상 시프터(208)에 전송될 수 있으며, 따라서 시스템(200)의 송신기 부분(202) 및 시스템(200)의 수신 부분에 의해 수용가능한 빔이 생성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 제어 신호들(224)은 가중치들로서 간주될 수 있으며, 증폭기들 및 위상 시프터들과 같은 아날로그 컴포넌트들은 상이한 가중치들을 할당받을 수 있다. 코드 북은 계산들에 기초하여 가중 증폭기 설정들 및 위상 시프터 설정들을 조정하는 룩업 테이블(look up table)일 수 있으며, 이러한 조정들은 취득된 파라미터들 및 계산들에 기초하여 빔의 위치를 변경하거나, 빔을 특정 위치로 이동시킨다. 코드 북 제어들은 송신 및 수신 빔들을 수렴시키려고 시도하며, 원하는 그리고 "최적의" 가중치들은 원하는 빔 결과들을 제공할 수 있다. 송신기 측으로서 도시된 컴포넌트들은 제어기 및 디바이스 모두에 존재할 수 있으며, 따라서 제어기 및 디바이스 모두는 그들의 송신 및 수신 절차들을 위해 빔 형성을 달성할 수 있다.

섹터 스위프 단계(그리고 아마도 또한 정밀화 단계)에서 파라미터 추정 모듈(222)에 의해 결정되는 SNR에 영향을 미칠 수 있는 하나의 파라미터는 송신기 및/또는 수신기용 안테나 어레이들의 교정의 품질이다. SNR 추정에 영향을 미칠 수 있는 또 하나의 요인(factor)은 섹터 스위프 프로세스에서 송신기 및/또는 수신기에 의해 사용되는 "코드북 설계" 또는 알고리즘의 효율이다. 예를 들어, 36개의 안테나를 갖는 교정되지 않은 위상 어레이가 송신 및 수신에 사용되는 것으로 가정하면, 섹터 스위프 후의 빔 형성 이득은 6 데시벨(dB) 근처인 것으로 결정될 수 있다. 그러나, 위상 어레이가 양호하게 교정되고, 코드북이 효율적인 알고리즘을 갖거나, 코드북이 양호한 설계를 갖는 경우에는, 초기 섹터 스위프 후의 이득은 20dB를 초과할 수 있다. 따라서, 섹터 스위프 후의 이득이 20dB인 것으로 파라미터 추정 모듈(222)에 의해 결정될 때, 송신기(202)에 대한 빔 형성 프로세스를 완료하기 위해 송신기(202)에 의해 최소 수의 심벌들이 송신될 수 있으므로, 빔 제어 벡터 결정 프로세스의 밸런스(balance)가 생략되거나 크게 감소될 수 있도록 송신기(202)가 제어될 수 있다.

도 3을 참조하면, 빔 정밀화를 위한 통신 세션 도면(300)이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 전력 요건들, 데이터 레이트들, 혼잡, 간섭 등으로 인해, 통신을 위해 60GHz 범위 근처의 주파수들을 사용하는 네트워크들에 대하여 빔 형성은 사실상 필수적이다. 지향성 통신을 위한 바람직한 빔들을 얻기 위하여, 그러한 네트워크들은 종종 훈련 절차를 수행하여, 원하는 빔들을 제공하는 제어 명령들을 결정한다. 그러한 제어 명령들을 결정하기 위하여, 네트워크 시스템들은 일반적으로 빔 형성 훈련 시퀀스를 이용한다. 전통적인 빔 형성 방법들은 상당한 오버헤드를 소비하며, 완료에 상당한 양의 시간이 걸린다. 전통적인 또는 심지어 최신의 빔 형성 훈련 프로토콜들도 채널 품질들 또는 교정 품질들과 같은 조건들에 적응하지 못한다. 따라서, 현재의 훈련 프로토콜들은 교정 없이 "최악의 경우"의 시나리오들 또는 열악한 채널 품질들을 수용하는 절차들을 위해 설계되고, 그러한 절차들을 수행한다.

따라서, 디바이스가 네트워크에 들어갈 때마다 최악의 경우의 빔 형성 절차를 구현하는 것은 이용 가능한 대역폭의 매우 비효율적인 이용인데, 그 이유는 대부분의 경우에 채널 품질들 및 교정 품질들이 최악의 경우보다 훨씬 더 양호하기 때문이다. 도 3은 빔 형성 프로세스를 적응시켜, MRT 및 MRC 가중치들의 계산에 기초하여 확산 길이(또는 훈련 시간)를 줄이기 위한 한 가지 방법을 나타낸다.

네트워크 제어기(NC)(332)는 우측으로부터 송신하고 수신하는 것으로 도시되며, 디바이스(302)는 좌측으로부터 송신하고 수신하는 것으로 도시된다. 송신들(314)은 NC(332)로부터 디바이스(302)로의 섹터 스위프의 일부로서의 지향성 송신일 수 있으며, 디바이스(302)는 전방향 모드로 수신할 수 있다. 디바이스(302)로부터의 송신들(316)은 지향성 송신들의 형태의 섹터 스위프 송신들일 수 있으며, 그러한 송신들은 섹터 스위프 송신들(314)로부터 취득된 채널 파라미터들 및 지향성 정보와 같은 정보를 운반할 수 있다. NC(332)는 전방향 모드로 지향성 송신들을 수신할 수 있으며, NC(332)는 디바이스(302)가 사용할 "최상의" 섹터 및 아마도 최상의 섹터에 대한 SNR을 지시하는 데이터를 갖는 송신들(318)을 수행할 수 있다. 송신들(314, 316, 318)은 섹터 검색 송신들(336)로서 간주될 수 있다.

전술한 바와 같이, 섹터 스위프는 일반적으로 빔 형성 프로세스의 초기 부분이며, 수신 빔을 상이한 섹터들로 조향하고, 어느 섹터가 최고의 원하는 신호를 수신하는지를 결정함으로써, 인입하는 송신의 상대적 방향을 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 섹터 스위프는 송신기와 수신기가 상이한 섹터들을 순차적으로 시험하고(상이한 섹터들을 스위프하고) 원하는 주파수에 대한 신호 강도를 측정하는 프로세스로서 간주될 수 있다. 최고 신호 레벨의 원하는 주파수를 수신하는 섹터가 추가 분석을 위해 선택될 수 있다. 빔 형성 벡터들(증폭기들 및 위상 시프터들에 대한 제어 신호들)은 송신기 및 수신기를 제어하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 디바이스 또는 제어기는 최상의 섹터를 이용할 수 있다. 이러한 구성은 양자화 표 또는 코드북에 설명되고, 정의되고, 저장된 바와 같은 구성일 수 있다. 일반적으로, 양자화 코드북은 채널 공간을, 시험되고 모니터링될 다수의 섹터(결정 영역들)로 분할할 수 있으며, 따라서 섹터 스위프로 명명된다. 디바이스들은 이전 단계들로부터 얻어진 MRT 및 MRC 및 이들의 결과들 및 채널 품질 및 교정 정보를 이용하여, 후속 훈련 시퀀스들을 최적화할 수 있다. 예컨대, 송신(314)에서 수신된 SNR이 높은 경우, 316에서의 시퀀스 길이가 감소될 수 있다.

섹터 스위프 후에, 빔 정밀화가 시도될 수 있다. 섹터 검색에 이어서, 송신기 및 수신기 빔 형성 벡터들이 반복적으로 최적의 벡터들에 더 가까워지는 3개의 단계와 같은 빔 정밀화 단계들이 수행될 수 있다. 각각의 빔 정밀화 단계는 수신 벡터 훈련 단계로부터 시작되고, 이어서 송신 벡터 훈련 단계가 수행될 수 있다. 빔 검색 또는 빔 정밀화에 포함된 단계들이 도 2에 도시되어 있다. 각각의 단계에서 취해진 액션들이 설명된다.

전술한 바와 같이, 60GHz 범위에서 송신하는 시스템들에 대한 양호한 통신 성능을 달성하기 위해서는 빔 형성이 필요하다. 그러나, 현재의 빔 형성 훈련 시퀀스들은 상당한 오버헤드를 필요로 하며, 그러한 프로세스는 비교적 많은 양의 시간을 소비한다. 더 많은 디바이스가 네트워크에 들어가고 나갈수록, 더 많은 오버헤드가 시스템을 운영하는 데 요구된다. 종종 네트워크 내에 존재하는 많은 수의 디바이스들 및 통상적인 제어기의 작업 부하로 인해, 더 높은 네트워크 효율을 달성하기 위하여, 빔 검색 오버헤드를 줄이는 것이 바람직하다.

최신의 무선 네트워크 시스템들에서, 빔 형성 훈련 프로토콜은 채널 또는 교정 품질들에 적응하지 못하며, 최악의 경우의 시나리오를 위해 설계된 조직화된 프로세스이다. 따라서, 빔 형성 훈련은 채널 및 교정 품질들이 최악의 경우의 시나리오들보다 훨씬 양호한 경우들의 대부분에 대해 효율적이지 못하다.

섹터 스위프(336) 후에 수행되는 훈련 송신들은 빔 정밀화 반복 단계들/송신들(338)로서 지칭될 수 있으며, 이러한 송신(338)은 PN 심벌 송신들을 포함한다. 본 개시내용에 따르면, 빔 정밀화 송신들(338)은 이전 송신들 동안에 취득된 MRT 및 MRC 가중치 파라미터들에 기초하거나 그들에 상응하여 시간 및 범위에서 감소될 수 있다. 보다 구체적으로, 시퀀스 길이는 빔 정밀화 반복 단계들/송신들(338) 동안에 계속적으로 적응될 수 있다. 정밀화 단계들(338)은 반복 프로세스일 수 있다. 각각의 반복은 취득된 채널 파라미터들에 기초하여 맞춤화될 수 있으며, 취득된 파라미터들에 기초하여, 코드북으로부터 제어 벡터들이 선택되고 구현될 수 있다. 또한, 제어 벡터들은 연속하는 반복들에서 정밀화되어, 각각의 반복에 대해 더 높은 빔 형성 이득을 제공할 수 있다. 반복 수가 더 많아짐에 따라 각각의 반복에 대해 시퀀스 길이들이 감소될 수 있다. 송신들(304, 306, 308, 310, 312, 328, 330) 동안에, 심벌들이 송신될 수 있으며, 수용 가능한 또는 "최적의" 범위에 빔이 더 가까워짐에 따라 SNR 측정이 결정될 수 있다. 320, 322, 324, 326으로 나타내어진 송신들은 이전 반복들 동안에 취득된 데이터를 이용하는 계산들을 통해 생성된 선택적 벡터들을 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 빔 형성을 위한 방법을 나타내는 흐름도(400)가 도시되어 있다. 먼저, 시스템은 블록 401에 도시되는 바와 같이 섹터 스위프를 수행할 수 있다. 섹터 스위프가 멱 반복 시스템으로 하여금 전통적인 시스템들보다 적은 시간에 수용 가능한 채널 구성으로 수렴되게 할 수 있지만, 섹터 스위프는 옵션인 특징이다. 개시되는 배열들은 임의의 벡터를 최초 시작 포인트로서 이용하여 멱 반복 프로세스를 개시할 수 있다는 것을 알 수 있다. 블록 402로 나타내어진 바와 같이, 수신기는 현재의 MRC 벡터를 계산할 수 있다. 개시되는 방법은 빔 형성 채널의 이득을 "최대로" 향상/조정하는 시도에서 채널 데이터를 계속 계산한다. 그러한 계산들은 다음 식을 이용할 수 있다.

여기서, H는 송신기와 수신기 사이의 유효 채널 행렬이고,

는 빔 형성 가중치들

및

에 대한 빔 형성된, 스칼라 채널이다.

또한, 빔 형성 가중치들 u 및 v는 각각 수신기 및 송신기에서의 정규화된 빔 형성 벡터들일 수 있다. 유효 채널 행렬은 무선 채널 내에 고유의 송신/수신 가중 행렬들의 효과들을 통합할 수 있으며, 유효 채널 행렬의 곱은 하다마르(Hadamar) 행렬과 같은 송신 가중 행렬(B _t ), 무선 채널(H _w ) 및 수신 가중 행렬(B _r )의 곱(즉, H = B _r H _w B _t )일 수 있다. B _r 의 i 번째 행의 가중치 엔트리들은 i 번째 유효 수신 안테나를 형성할 수 있으며, 마찬가지로 B _t 의 i 번째 열의 가중치 엔트리들은 i 번째 유효 송신 안테나를 형성할 수 있다.

H의 i 번째 행 및 j 번째 열의 엔트리는 i 번째 유효 수신 안테나와 j 번째 유효 송신 안테나 사이의 채널 응답일 수 있다. H가 알려지면, u 및 v는 H의 특이값 분해(singular value decomposition)를 이용하여 계산될 수 있다. 그러나, H는 종종 60GHz 무선 시스템들을 위한 송신기 및 수신기 양자에 의해 알려지지 않는다. 섹터 스위프의 결과들은 채널 행렬의 하나의 행 및 하나의 열과 "등가"이거나 이를 나타내는 정보를 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 스위프는 전체 행렬을 채우기에 충분한 데이터를 제공하지 못한다. 아래의 식 2에 의해 기술되는 바와 같은 멱 반복은 u 및 v를 얻기 위한 효율적인 수단을 제공할 수 있는데, 그 이유는 식 2를 통해 결과들을 취득하는 것이 H에 대한 값을 결정하기 위해 전통적인 시스템들에서 통상적으로 소비/유발/요구되는 바와 같이 에너지를 요구하거나, 간섭을 유발하거나, 고가의 훈련 오버헤드를 필요로 하지 않기 때문이다.

일반적으로, 멱 반복(계산)은 각각의 채널에 대해 원하는 채널 품질 및 원하는 신호 품질을 달성할 수 있는 벡터들을 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 출력 전력 벡터들을 변경하는 반복 접근법이 이용될 수 있다. 각각의 반복은 2개의 단계, 즉 송신 벡터 결정 단계 및 수신 벡터 결정 단계를 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 하나의 단계(단계 1)는 아래의 식들을 이용하여 MRC 가중치들(수신 가중치들)을 결정할 수 있고, 다른 단계(단계 2)는 최대 비율 송신(MRT) 가중치들을 결정할 수 있다.

잡음 항들은 프로세스 및 분석을 간소화하기 위해 생략되었지만, 특정의 상황들에서는 잡음 항들이 후속 단계에서 고려될 수 있다. i 번째 반복에서, 송신기는 수신기에 의해 결정되어 송신기에 피드백으로서 전송된 송신 빔 형성 벡터 v(i)를 이용하여, MRT 가중치들을 분석할 수 있다. 전술한 바와 같이 그리고 블록 402에 나타내어진 바와 같이, 수학식 2에서, 송신기는 송신 속성들을 정의하기 위해 v(i)를 이용하여 훈련 심벌들을 수신기에 전송할 수 있다. 수신기는 송신 벡터 v(i)에 대해 수신된 신호 강도를 최대화하는 수신된 빔 형성 가중치들(즉, MRC 가중치들)을 추정할 수 있다. MRC 벡터는 u(i)로서 정의될 수 있으며, 최대 비율 결합으로부터의 빔 형성 정보는

이며, 벡터를 결정하는 데 사용될 수 있다.

블록 402로 나타내어진 바와 같이, MRC 벡터 및 MRC 가중치들을 계산하기 위하여, 수신기는 수신기 어레이 내의 각각의 유효 수신 안테나 상에서 송신기로부터 단일 송신에 대한 응답을 측정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 그리고 블록 403에 나타내어진 바와 같이, 수신기는 송신기 MRT 벡터의 부분에 대해 저장된 채널 응답들을 합성할 수 있다. 수신기에서 측정된 응답들은 벡터 Hv(i)(송신 소스의 상대적 방향을 기술하는 벡터)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 수신 빔 형성 벡터는 특정 방향으로부터 수신되는 신호 전력을 "최대화"하는 지향성 감도를 생성할 수 있으며(즉, MRC 벡터는

로서 정의될 수 있다), 여기서

는 빔 형성 벡터의 크기를 정규화한다(벡터들을 단위 벡터들로 변환한다).

블록 403을 참조하면, 수신기는 송신기 MRT 벡터의 부분에 대해 저장된 채널응답들을 합성할 수 있다. 수학식 2의 단계 2를 참조하면, MRT 가중치들은 후속 계산들에서 결정 또는 추정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 송신기는 유효 송신 안테나들의 각각을 통해 훈련 심벌들(아마도 심벌들의 축소된 세트)을 전송할 수 있다. 이에 응답하여, 수신기는 수신 벡터 u(i)에 대해 수신된 신호 강도를 "최대화"하는 송신 빔 형성 가중치들을 추정할 수 있다. 그러한 추정을 달성하기 위하여, 수신기는 u(i)를 이용하여 수신 벡터를 정의할 수 있으며, H에서 각각의 송신 안테나로부터의 각각의 송신에 대한 빔 형성 채널 응답을 측정할 수 있다. 또한, 측정된 채널 응답들은 벡터 u ^H(i)H를 형성하는 데 사용될 수 있다. 블록 404에 나타내어진 바와 같이, 송신기 및 수신기 모두는 현재 및 이전 MRT 벡터들에 상보적인 (지향성 송신들을 나타내는) 필요한 사운딩 벡터들을 계산할 수 있다.

수신 신호를 최대화하는 송신 빔 형성 벡터(즉, MRT 벡터)는

또는

를 풀어내서 결정될 수 있다. 블록 405에 의해 나타내어진 바와 같이, 송신기는 사운딩 벡터에 기초하여 송신을 행할 수 있다. 블록 406에 의해 나타내어진 바와 같이, 신호의 수신에 응답하여, 수신기는 합성 결과들 및 수신 응답들을 이용하여 송신기의 MRT 벡터를 계산할 수 있다. 블록 408에 의해 나타내어진 바와 같이, 수신기는 양자화된 MRT 벡터를 송신기에 전송할 수 있다. 따라서, v(i+1) 및 MRT 벡터는 (i+1) 번째 반복에 대해 송신기에 피드백될 수 있다(송신기로 반송될 수 있다).

코드북 또는 알고리즘이 효율적인 경우, u(i) 및 v(i)에 대한 값들은 일정 수의 반복 후에 수용 가능하거나 이상적인 값으로 수렴할 것이다. 따라서, 사전 결정된 메트릭 또는 조건이 충족되는 프로세스 동안의 임의의 시간에, 빔 훈련 프로세스가 종료될 수 있다. 그러한 단계는 판정 블록 420으로 지시된다.

(하나 이상의 안테나가 멱 반복에서 사용되지 않는) 단계 2에서의 적어도 하나의 훈련이 최종 교정 및 채널 품질을 저하시키지 않고 생략될 수 있다는 것을 알 수 있다. 수신기는 N_r 번의 측정을 수행할 수 있으며, N_r은 수신 안테나들의 수이고, 측정된 응답은 벡터 Hv(i)를 제공하도록 누적될 수 있다.

예를 들어, v(i) = [1,0,..,0]^T인 경우,

이다. 이 예에서, 수학식 2의 단계 2에서 최초 측정된 응답(즉, u ^H(i)H의 최초 엔트리)은 다음과 같다.

여기서,

는 제2 단계의 식에서 사용된다. Hv(i)는 단계 1에서 측정되므로,

는 단계 2를 시작하기 전에 이미 알려져 있고, 따라서 단계 2에 "필요한" 제1 측정은 중복이므로 생략될 수 있다. 즉, 단계 1에서 계산된 정규화 팩터

는 사실상 단계 2에서의 제1 측정에 대한 결과이다. 따라서, 제1 측정은 건너뛰거나 생략될 수 있으며, 그러한 생략은 빔 형성을 달성하는 데 필요한 오버헤드를 줄일 수 있다.

위의 예, 즉 v(i) = [1,0,..,0]^T는 임의의 v(i)에 대해 일반화될 수 있다. 식 2의 단계 2에서 MRT 벡터 H ^H u(i)(즉, 각각의 수신 벡터 u(i)에 대한 최적 송신 벡터 v(i+1))가 결정될 수 있다는 것을 알 수 있다. 통상의 멱 반복에서, 송신기는 유효 송신 안테나들 각각을 순차적으로 활성화하고, 수신기는 송신들 각각에 대한 빔 형성 채널 응답을 측정할 수 있다.

일부 실시예들에서, 송신기는 v(i)에 상보적인 서브공간(subspace)에 대해 N_t개의 훈련 심벌이 아니라 N_t-1개의 훈련 심벌만을 전송하는 것이 필요한데, 그 이유는 블록 404에서 나타내어진 바와 같이 v(i)에 대한 빔 형성 채널 응답이 수신기에서 쉽게 합성될 수 있기 때문이다. 송신기는 아래의 정사각 직교 행렬에 의해 N_t개의 유효 송신 안테나에 대한 완전한 N_t 차원 공간을 표현할 수 있다.

블록 406에 지시되는 바와 같이,

는 서로 직교하고, 단위 놈(norm)을 갖는다.

는 v(i)에 상보적인 하위 공간에 스패닝한다(span). F를 생성하는 많은 방법이 존재한다는 것을 알 수 있다. 하나의 방법은 다음과 같이 하우스홀더 행렬(Householder matrix)을 계산하는 것이다.

여기서,

및 θ는 v(i)의 제1 엔트리의 위상이다. v(i)에 대한 합성 결과는 다음과 같이 계산된다.

N_t-1개의 빔 형성 채널 응답(또는 측정)은 송신 벡터들

에 대해

로서 표시될 수 있으며, 이는 다음과 같이 표현된다.

수학식 5 및 6을 결합하면, 다음 식이 얻어진다.

수학식 7로부터, MRT 벡터는 다음과 같이 계산될 수 있다.

, 및

여기서, F ^H F = I 및 F ^H = F ^-1이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기는 벡터 v(i+1)을 양자화하고, 양자화 인덱스(새로운 MRT 벡터)를 송신기에 피드백할 수 있는데, 그 이유는 수신기가 v(i)를 취득하고 F를 구성할 수 있기 때문이다. 따라서, 송신기 및 수신기 모두는 F를 취득할 수 있고, 수신기는 블록 408에 의해 나타내어진 바와 같이 새로운 양자화된 MRT 벡터에 대한 데이터를 피드백으로서 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기는

데이터를 피드백할 수 있으며, 이어서 송신기는 수학식 8을 이용하여 MRT 벡터 v(i+1)를 계산할 수 있는데, 그 이유는 F가 송신기에 의해 이용 가능하거나 취득될 수 있기 때문이다. 블록 410에 의해 나타내어진 바와 같이, 송신기는 수신기로부터 피드백 송신을 통해 수신된 MRT 벡터에 응답하는 채널을 통해 송신할 수 있다.

일부 실시예들에서 그리고 일부 시스템들에서, 수신기는 송신기에 피드백을 제공할 수 있으며, 피드백은 양자화된 위상 정보만을 포함하는데, 그 이유는 크기 정보가 송신으로부터 제외될 수 있기 때문이다. 송신기는 각각의 물리 안테나에 대해 일정한 전력을 송신할 수 있으며, 이러한 경우에 F의 생성이 간소화될 수 있다. 송신기는 B _t를 제1 열이 v(i)인 직교 행렬 F로 교체할 수 있다. F는 상수 행렬 F ₀로부터 변환될 수 있다. F ₀는 엔트리가 상수 계수를 갖고 제1 열이 [1,...1]^T인 직교 행렬일 수 있다. F ₀을 생성하기 위한 많은 다른 방법이 존재한다는 것을 알 수 있다. 하나의 예로서, F ₀은 다음과 같은 하다마르 행렬일 수 있다.

다른 실시예들에서,

는 상수 엔트리 계수를 갖는 직교 행렬일 수 있으며,

의 제1 열은 [1,...1]^T이 아니다.

는 [1,...1]^T의 제1 열을 갖는 직교 행렬 F ₀으로 변환될 수 있다.

의 각각의 행의 위상은 회전될 수 있으며, 따라서 제1 엔트리는

일 때 0의 위상을 가지며, 여기서 f ₁은

의 제1 열이고, diag(x)는 벡터 x의 엔트리들을 대각 엔트리들로서 갖는 대각 행렬이다. 제1 열로서 [1,...1]^T를 갖는 F ₀를 이용하여, 송신기는 다음과 같은 간단한 위상 회전에 의해 F를 계산할 수 있다.

여기서, diag(x)는 벡터 x의 엔트리들을 대각 엔트리들로서 갖는 대각 행렬이다. v(i)는 상수 계수를 갖는 엔트리들이므로, 결과적으로 diag(x)는 직교 행렬이다. 따라서, F는 2개의 직교 행렬의 곱이므로 직교 행렬이다. 더욱이, F ₀의 제1 열은 [1,...1]^T이므로, 이것은 F 또는 v(i)의 제1 열이기도 하다. 즉, F는 수학식 4의 형태를 가질 수 있으며, 송신기는 블록 410에 의해 나타내어진 바와 같이 열들 2,..., N_t를 이용하여 채널을 통해 송신할 수 있다. v(i)에 대한 훈련 결과들이 저장되고, 후속 계산들에서 이용될 수 있다. 수신기는 블록 412에 의해 나타내어진 바와 같이 그의 새로운 MRC 벡터의 부분에 대해 저장된 채널 파라미터들을 합성할 수 있다. 그러한 결과들의 저장/사용/재사용하는 것은 그러한 파라미터들을 버리거나 무시하는 통상의 멱 반복 시스템들 및 교시들과는 명확히 다르다는 것을 알 수 있다. 이전의 반복들로부터 공지되거나 다른 수단들에 의해 얻어질 수 있는 데이터를 송신기와 수신기 사이에 송신하지 않는 것은 축소된 훈련 프로토콜을 제공할 수 있다. 블록 414에 의해 나타내어진 바와 같이, 수신기는 현재 및 이전 MRC 벡터에 상보적인 수신 벡터들을 계산할 수 있다.

전술한 바와 같이, 수신기에서 MRC를 계산함으로써 향상된 결과들과 더불어 훈련 시간 및 에너지가 절약된다. 하나 이상의 이전 반복들로부터의 훈련 결과들(MRC 가중치들)이 저장되고 연속하는 반복들에서 사용되어, 각각의 반복의 정확성을 향상시킬 수 있다. 각각의 반복에 대해, 훈련 신호 또는 피드백의 송신기는 필요한 정보를 제공할 벡터를 갖는 선택적 송신을 결정할 수 있다. 그러한 송신은 전통적인 시스템이 송신하는 것의 서브세트일 수 있다. 이전 훈련들의 결과들은 빔 형성 송신 벡터들(즉, MRC 및 MRT)의 채널 파라미터들 또는 응답들에 대한 수신기의 검출을 포함할 수 있다. 새로운 MRC 벡터는 다음 식을 이용하여 계산될 수 있다.

j=1, ..., k에 대해 v(j), 즉 r(j)= Hv(j)

마찬가지로, i=1,... l에 대한 수신 벡터들 u(i), 즉

에 대한 빔 형성 채널 응답들도 이전 훈련 주기(cycle)들 동안에 저장될 수 있다. 수신기에서 결과를 합성하지 않고도, 저장된 이전 훈련의 결과들을 이용하여 추정 정밀도를 향상시킬 수 있는데, 그 이유는 측정된 결과들이 통상적으로 잡음 데이터 또는 잡음 측정 데이터를 포함하기 때문이며, 이러한 결과들을 결합하거나 이러한 데이터를 이용하는 것은 채널 계산들에서 향상된 정밀도를 제공할 수 있다. 전통적인 시스템들 또는 전통적인 프로세스들은 모든 이전 결과들 또는 잡음 데이터를 버린다는 것을 알 수 있다.

블록 414에서 MRC 가중치 추정에 의해 제공되는 멱 반복에서, 수신기는 최대 빔 형성 이득과 같은 일부 기준에 기초하여 다음 훈련 주기에 대한 새로운 벡터 v _k ₊₁을 계산할 수 있으며, 수신기는 추가 반복들에 대한 빔 형성 채널 응답 벡터 Hv(k+1)를 결정할 수 있다. 이러한 결정에서,

이며, 여기서 v _s는 이전의 훈련된 벡터들 v(j)(j=1,...,k)이 스패닝하는 하위 공간에 존재하는 v(k+1)의 성분일 수 있고,

는 이전의 훈련된 벡터들이 스패닝하는 하위 공간에 직교하는 v(k+1)의 성분이다. v _s는 하위 공간에 존재하므로, v _s는

로서 표시될 수 있다. 따라서, v _s에 대한 채널 응답은

로서 계산될 수 있으며, 그러한 데이터는 수신기의 메모리 내에 이전 훈련들의 결과로서 존재할 수 있다.

따라서, 송신기는 원하는 계산들을 달성하기 위하여 v _s가 아니라

를 이용하여 훈련 심벌들만을 전송하는 것이 필요하다. 일부 실시예들에서, 수신기는

에 대한 피드백만을 송신기로 전송하는 것이 필요하며, 수신기에서 Hv_ㅗ가 측정될 수 있다. 이어서, v(k+1)에 대한 채널 응답은 다음 식을 이용하여 계산될 수 있다.

수신기는 송신기에 의해 취득되고 저장된 모든 정보를 취득 및 저장할 수 있는데, 그 이유는 송신기에서의 정보가 통상적으로 수신기에 의해 피드백된 것이기 때문이며, 그 반대도 마찬가지이다.

및 v _s의 계산 알고리즘이 송신기 및 수신기 모두에 공지된 경우, 수신기는 송신기에 대한 모든 것을 알고, 그 반대도 마찬가지이다. 따라서, 일부 실시예들에서, 수신기는 MRT 벡터 v(k+1)을 계산하고, 이를 양자화하여, 송신기로 피드백할 수 있다.

전통적인 멱 반복 방법들에서는, Hv(k+1)이 직접 측정되고, 송신 전력이 2개의 방향 v _s 및

로 분할된다. v _s의 일부가 낭비되는데, 그 이유는 훈련 전에 결과가 수신기에 알려지기 때문이라는 것을 알 수 있다. v _s가 소정의 전력을 낭비하므로, 원하는 방향

는 전체 송신 전력을 포함하지 않는다. 훈련 시간은 이용되는 신호 전력에 비례할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 경우, 훈련 시간이 연장될 수 있는데, 그 이유는 송신 전력이 제한되고, 신뢰성 있는 결과들을 달성하기 위하여

방향에서의 신호 대 잡음비(SNR)가 사전 결정된 임계치 이상이어야 하기 때문이다. 통상의 멱 반복에서의 v(k+1)의 v _s 성분은 통상적으로 전력의 약 30%를 낭비한다. 이와 달리, 개시되는 배열은 모든 전력을 요구되는 방향으로 제공하며, 따라서 훈련 시간이 크게 감소한다.

유사한 변경이 MRT 멱 반복 단계에 적용될 수 있다. 수신기는 수신기가 추가 반복들을 위한 빔 형성 채널 응답 벡터 H ^H u(l+1)를 알기를 원할 때 일부 기준에 기초하여 다음 훈련을 위한 새로운 벡터 u(l+1)을 계산할 수 있다.

인 것으로 가정하며, 여기서 u _s는 이전의 훈련된 벡터들 u(i)(i=1,...,l)이 스패닝하는 서브공간에 존재하는 u(l+1)의 성분이다.

는 이전의 훈련된 벡터들이 스패닝하는 서브공간이 직교하는 u(l+1)의 성분일 수 있다. u _s가 하위 공간 내에 있으므로, u _s는

로서 표시될 수 있다. 따라서, u _s에 대한 빔 형성 채널 응답은

으로서 계산될 수 있으며, 원하는 값은 이전 훈련에 기초하여 수신기에서 결정될 수 있다. 따라서, 수신기는 u _s가 아니라

를 이용하여 훈련 심벌들만을 수신하는 것이 필요할 수 있다. 이어서, u(l+1)에 대한 채널 응답이 다음과 같이 계산될 수 있다.

블록 416에 의해 나타내어진 바와 같이, 송신기는 추정된 채널에 기초하여 빔을 송신할 수 있으며, 수신기는 추정된 수신기 벡터들을 이용하여 이 채널 송신을 수신할 수 있다. 블록 418에 의해 나타내어진 바와 같이, 수신기는 합성된 결과들 및 수신된 응답들을 이용하여 새로운 MRC 벡터를 계산할 수 있다.

일부 실시예들에서, 수신기(또는 송신기)는 v _s (및/또는 u _s)에 대한 측정을 제거하지 않는다. 그러나, 개시되는 스킴은 데이터의 사용 및 재사용에 관하여 송신기와 수신기 사이에서 일부 조정을 요구할 수 있다. 일부 실시예들에서, 송수신기는 전통적인 송수신기들에 의해 이용되는 레거시(legacy) 멱 반복을 따를 수 있으며, 개시되는/향상된 배열들을 인식하지 못할 수 있다. 이러한 경우에, 송신기(또는 수신기)는 이전에 측정된 서브공간 v _s(또는 u _s) 내에 속하는 신호들을 계속 송신 또는 수신할 수 있다. 이전 측정들의 저장은 그러한 경우에도 도움이 될 수 있다. 송수신기는 이전 경우에서와 같이 v _s(또는 u _s)에서의 측정을 제거하는 것이 아니라, 잡음이 많은 채널에 대해 v _s(또는 u _s)에서의 이전 측정들의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 최대 비율 결합 및 동일 이득 결합과 같은 동일 v _s(또는 u _s)에 대한 신호를 결합하는 많은 방법이 존재한다는 것을 알 수 있다.

블록 420에 의해 나타내어진 바와 같이, 하나 이상의 사전 결정된 조건들이 충족되는지를 결정할 수 있다. 이러한 조건들이 충족되는 경우, 프로세스가 종료될 수 있으며, 조건들이 충족되지 않는 경우에는, 프로세스가 블록 403으로 돌아가 반복할 수 있으며, 여기서 수신기는 저장된 채널 응답들을 합성할 수 있고, 프로세스는 조건들이 충족될 때까지 반복될 수 있다. 일부 실시예들에서, 사전 결정된 조건들은 반복들의 수일 수 있다. 따라서, 시스템은 반복들을 카운트할 수 있고, 일정한 수의 반복 후에, 수렴에 관계없이 빔 정밀화 프로세스가 종료될 수 있다. 이러한 사전 결정된 메트릭은 통계에 기초하는 수일 수 있으며, 이러한 반복들의 수는 거의 항상 수용 가능한 결과들을 제공한다. 다른 실시예들에서, 채널(들)의 SNR이 모니터링될 수 있으며, 사전 결정된 SNR 측정이 달성되면, 빔 정밀화 프로세스가 종료될 수 있다. 따라서, 일부 사전 결정된 기준들을 이용하여, 빔 정밀화 프로세스를 종료할 수 있으며, 종료는 조건들이 충족될 때 이루어질 수 있다.

위의 배열들을 이용하여, 최상의 타이밍을 가정하는 안테나 상관(antenna correlation) 없이, 비시선(non-line of sight)(NLOS) 채널들에 대한 시뮬레이션 결과들이 처리되었다. 개시되는 배열들을 이용하여, 통상의 멱 반복 배열들보다 빠른 수용 가능한 통신 채널들이 생성될 수 있다. 통상적으로, 빔 형성 프로세스는 수신 신호의 전력을 약 30dB 정도 향상시킬 수 있으며, 이는 양호한 통신과 극히 열악한 통신 사이의 차이일 수 있다. 일반적으로, 빔 형성은 교정된 송수신기 체인이 없는 시스템들에 대해 (섹터 검색 및 빔 정밀화를 통해) 지향성 통신을 달성하기 위해 더 중요하다. 최신의 시스템들에서, 멱 반복 방법들은 일반적으로 가장 효율적인 빔 정밀화 프로세스이며, 이러한 프로세스는 WiHD와 같은 기존의 표준화된 프로토콜들에 의해 채택되었다.

본 명세서에 개시되는 각각의 프로세스는 소프트웨어 프로그램을 이용하여 구현될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 소프트웨어 프로그램들은 개인용 컴퓨터, 서버 등과 같은 임의의 타입의 컴퓨터 상에서 실행될 수 있다. 임의의 프로그램들이 다양한 신호 보유 매체들에 포함될 수 있다. 예시적인 신호 보유 매체들은 (i) 기입 불가 저장 매체들(예를 들어, CD-ROM 드라이브에 의해 판독 가능한 CD-ROM 디스크들과 같은 컴퓨터 내의 판독 전용 메모리 디바이스들)에 영구 저장된 정보, (ii) 기입 가능 저장 매체들(예컨대, 디스켓 드라이브 내의 플로피 디스크들 또는 하드 디스크 드라이브)에 저장된 변경 가능 정보, 및 (iii) 무선 통신을 포함하는 컴퓨터 또는 전화 네트워크 등을 통해 통신 매체에 의해 컴퓨터로 전달되는 정보를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 후자의 실시예는 특히 인터넷, 인트라넷 또는 다른 네트워크들로부터 다운로드되는 정보를 포함한다. 그러한 신호 보유 매체들은 본 개시내용의 기능들을 지시하는 컴퓨터 판독 가능 명령어들을 지닐 때 본 발명의 실시예들을 나타낸다.

개시되는 실시예들은 완전 하드웨어 실시예, 완전 소프트웨어 실시예 또는 하드웨어 및 소프트웨어 요소들 모두를 포함하는 실시예의 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시되는 방법들은 펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로코드 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 더욱이, 실시예들은 컴퓨터 또는 임의의 명령어 실행 시스템에 의한 사용을 위해 또는 그와 관련하여 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터 사용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 본 설명의 목적으로, 컴퓨터 사용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 명령어 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의한 사용을 위해 또는 그와 관련하여 프로그램을 포함, 저장, 통신, 전파 또는 전송할 수 있는 임의의 장치일 수 있다.

시스템 컴포넌트들은 전자 저장 매체로부터 명령어들을 검색할 수 있다. 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 디바이스) 또는 전파 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예들은 반도체 또는 고체 메모리, 자기 테이프, 착탈식 컴퓨터 디스켓, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 단단한 자기 디스크(rigid magnetic disk) 및 광 디스크를 포함한다. 광 디스크들의 현재 예들은 컴팩트 디스크-판독 전용 메모리(CD-ROM), 컴팩트 디스크-판독/기입(CD-R/W) 및 디지털 다기능 디스크(DVD)를 포함한다. 프로그램 코드를 저장 및/또는 실행하는 데 적합한 데이터 처리 시스템은 시스템 버스를 통해 메모리 요소들에 직접적으로 또는 간접적으로 결합되는 적어도 하나의 프로세서, 로직, 또는 상태 머신을 포함할 수 있다. 메모리 요소들은 프로그램 코드의 실제 실행 동안에 사용되는 로컬 메모리, 대용량 저장소, 및 실행 동안에 대용량 저장소로부터 코드가 검색되어야 하는 횟수를 줄이기 위해 적어도 일부 프로그램 코드의 임시 저장을 제공하는 캐시 메모리들을 포함할 수 있다.

(키보드, 디스플레이, 포인팅 디바이스 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는) 입출력, 즉 I/O 디바이스들은 직접적으로 또는 중개 I/O 제어기들을 통해 시스템에 결합될 수 있다. 네트워크 어댑터들도 시스템에 결합되어, 데이터 처리 시스템이 중개 비공개(intervening private) 또는 공개(public) 네트워크들을 통해 다른 데이터 처리 시스템들 또는 원격 프린터들 또는 저장 디바이스들에 결합되게 할 수 있다. 모뎀들, 케이블 모뎀 및 이더넷 카드들은 단지 소수의 현재 이용 가능한 타입의 네트워크 어댑터들이다.

본 발명의 이익을 갖는 이 분야의 기술자들에게는, 본 발명이 전술한 특징들을 제공할 수 있는 방법들, 시스템들 및 매체들을 고려한다는 것이 명백할 것이다. 상세한 설명 및 도면들에 설명되고 도시된 실시예들의 형태는 단지 개시되는 교시들을 구성하고 이용하기 위한 가능한 방법들로서 간주되어야 한다는 것을 이해한다. 아래의 특허청구범위는 개시된 실시예들의 모든 변형들 포함하도록 넓게 해석되도록 의도된다.

Claims

빔 형성 방법으로서,
최대 비율 결합(maximum ratio combining)(MRC) 벡터의 적어도 일부를 결정하는 단계;
제1 최대 비율 송신(maximum ratio transmission)(MRT) 벡터의 적어도 일부를 결정하는 단계;
상기 제1 MRT 벡터에 기초하여 사운딩 벡터(sounding vector)를 송신하는 단계;
상기 MRC 벡터를 이용하여 상기 사운딩 벡터를 수신하는 단계;
수신된 상기 사운딩 벡터의 파라미터를 결정하는 단계;
상기 파라미터를 소스에 반송하는 단계;
상기 파라미터 및 상기 제1 MRT 벡터에 기초하여 지향성 송신을 수행하는 단계; 및
사전 결정된 조건이 충족될 때, 상기 빔 형성 방법을 종료하는 단계
를 포함하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 파라미터는 빔 형성 채널 이득(beamformed channel gain)인 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 파라미터는 상기 제1 MRT 벡터에 기초하는 양자화된 MRT 벡터인 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 파라미터는 송신기와 수신기 사이에서 교환되는 정보가 감소될 수 있도록 상기 제1 MRT 벡터에 직교하는 MRT 벡터의 일부로서 반송되는 계산된 성분인 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 제2 사운딩 벡터는 현재 및 이전의 MRT 벡터에 상보적인 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 수신기는 제2 MRT 벡터를 계산하고, 상기 MRT 벡터를 송신기로 전송하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 수신기는 합성된 결과만을 송신하고, 송신기는 상기 합성된 결과에 기초하여 MRT 벡터를 계산하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향성 송신은 이전의 송신 또는 계산에 사용된 MRT 또는 MRC 벡터 중 하나로부터 결정된 벡터들을 포함하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 섹터 스위프(sector sweep)를 수행하는 단계를 더 포함하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 사전 결정된 조건은 송신 가중 벡터(transmit weight vector) 및 수신 가중 벡터(receive weight vector)의 수렴(convergence)인 빔 형성 방법.
제1항에 있어서, 신호 대 잡음비 또는 사전 결정된 수의 단계들 중 하나 이후에 상기 방법을 종료하는 단계를 더 포함하는 빔 형성 방법.
빔 훈련 시퀀스(beam training sequence) 동안에 빔을 조정하기 위한 빔 제어기;
상기 빔 훈련 시퀀스 동안에 적어도 하나의 채널 파라미터를 감지하고, 빔 훈련 시퀀스들에 응답하여 데이터를 취득하기 위한 센서;
복수의 빔 훈련 시퀀스를 제어하기 위한 구성 모듈; 및
송신 가중치들 및 수신 가중치들의 수렴과 관련된 정보를 제공하는 후속 훈련 송신을 구성하고, 둘 이상의 과거의 훈련 송신으로부터 취득된 데이터를 이용하여 테스트될 빔 훈련 시퀀스를 생성하기 위한 구성 모듈
을 포함하는 시스템.
제12항에 있어서, 상기 빔 제어기에 결합되는 송수신기 및 안테나 어레이를 더 포함하는 시스템.
제12항에 있어서, 상기 센서는 신호 대 잡음 센서 또는 신호 대 간섭 플러스 잡음 센서인 시스템.
제12항에 있어서, 상기 빔 훈련 시퀀스는 상기 송신 가중치들 및 수신 가중치들을 수렴시키도록 맞추어진 송신 및 수신 벡터들을 포함하는 시스템.
명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
상기 명령어들은 프로세서에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금
최대 비율 결합(MRC) 벡터의 적어도 일부를 결정하고;
제1 최대 비율 송신(MRT) 벡터의 적어도 일부를 결정하고;
상기 제1 MRT 벡터에 기초하여 사운딩 벡터를 송신하고;
상기 MRC 벡터를 이용하여 상기 사운딩 벡터를 수신하고;
수신된 상기 사운딩 벡터의 파라미터를 결정하고;
상기 파라미터를 소스로 반송하고;
상기 파라미터 및 상기 제1 MRT 벡터에 기초하여 지향성 송신을 수행하고;
사전 결정된 조건이 충족될 때, 빔 형성 방법을 종료하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
제16항에 있어서, 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터로 하여금, 송신기와 수신기 사이에서 교환되는 정보가 감소될 수 있도록 상기 제1 MRT 벡터에 직교하는 MRT 벡터의 일부로서 반송되는 파라미터를 계산하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
제16항에 있어서, 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터로 하여금 섹터 스위프를 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
제16항에 있어서, 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터로 하여금 수신기에서 제1 및 제2 응답을 합성하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
제16항에 있어서, 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터로 하여금 사전 정의된 조건의 검출에 응답하여 상기 방법을 종료하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품.