KR20220035878A

KR20220035878A - 동적 무선 브로드캐스트 시스템 및 그 운용 방법

Info

Publication number: KR20220035878A
Application number: KR1020217042024A
Authority: KR
Inventors: 보리스 보가틴; 매튜 브롬버그; 나라얀 파라필 메논; 존 엘. 노린
Original assignee: 사이든, 인크.
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2022-03-22
Also published as: US20200374713A1; US20220132334A1; CN114073018A; EP3973644A1; WO2020237162A1; US11228923B2; MX2021014311A; BR112021023484A2; US11671852B2

Abstract

통신 시스템 운용 방법으로서 기지국에 커플링된 제1 안테나 어레이를 통해 복수의 디바이스들에 사운딩 신호를 통신하는 단계를 포함한다. 본 방법은 사운딩 신호에 응답하여, 복수의 디바이스들 각각으로부터 기지국에 응답 신호를 통신하여, 응답 신호로부터 디바이스 위치, 사운딩 신호의 신호 강도 및 사운딩 신호의 위상 정보를 포함하는 디바이스 데이터를 결정하는 단계, 디바이스 데이터에 기초하여 복수의 디바이스들을 제1 그룹으로 그룹화하는 단계, 제1 그룹에 데이터 신호를 통신하기 위해 제1 빔포밍 가중치 벡터의 전력 출력을 성형하도록 제1 그룹에 대한 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계, 및 제1 송신 빔포밍 가중치들 및 널(null)들을 사용하여 제1 안테나 어레이로부터의 무선 신호를 통해 데이터 신호를 제1 그룹에 브로드캐스트하는 단계를 더 포함한다.

Description

동적 무선 브로드캐스트 시스템 및 그 운용 방법

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 5월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/880,867호 그리고 또한, 2019년 5월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/851,842호를 우선권으로 주장한다. 상기한 출원의 전체 개시 내용은 본 명세서에 원용된다.

기술분야

본 개시는 일반적으로 무선 브로드캐스트 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 브로드캐스트 시스템의 전체 성능을 효과적으로 개선하기 위해, 사용자들로의 컨텐츠를 포함하는 데이터 신호들의 브로드캐스트를 동적으로 제어하기 위해 사용자 디바이스 피드백을 사용하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

이 섹션에서의 설명은 단지 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공하는 것이고, 선행 기술을 구성하지 않을 수 있다.

많은 지역들에서, 인터넷 서비스는 요구되는 컨텐츠 소비량에 비해 성능이 떨어진다. 즉, 국내 및 세계의 많은 지역들에서 고속 인터넷 액세스가 충분하지 않다. 예를 들어, 무선, 다이얼 업(dial-up), DSL, 또는 위성 서비스들은 높은 품질의 비디오 컨텐츠 또는 다른 대량 데이터의 다운로딩을 적시에 또는 경제적인 방식으로 지원하기에 적절한 속도 또는 경제적인 용량을 제공하지 않을 수 있는 서비스들의 예들이다. 그러나, OTT(over-the-top) 비디오 서비스들은 미국 시장에서 그리고 세계적으로 점점 더 일반화되고 있어, 빠르게 전통적인 케이블 번들에 대한 매력적인 대안을 제공할 뿐만 아니라, "유료 TV(Pay TV)"를 완전히 대체하기 시작하고 있다. 그러나, 도시 근교 또는 도서 벽지에 관계없이, 미국 전역 및 전세계적으로 많은 소비자들은 비용을 감소시키기 위해, 또는 (무선 서비스들과 같이 이동성 및 휴대성의 경우에서와 같이) 추가적인 특징들에 액세스하기 위해, 또는 케이블 번들에 경쟁적 서비스를 채택하거나 실행 가능한 OTT 비디오 또는 데이터 집약적 서비스를 지원하기 위해, 그들의 기존의 저속 또는 저용량 서비스들을 향상시키기를 원한다. 고품질 OTT 비디오 및 데이터 전달을 지원하기 위해 이들 저속 또는 저용량 서비스들을 가능하게 하는 것은 바람직하다.

많은 사람들이, 선호하던 전통적인 케이블 텔레비전 서비스 또는 OTT 서비스들을 포기하고 있다. 이는 비디오를 시청하는 데 사용되는 데이터양에 기여한다. 미국에서 대략 125, 000, 000 가정의 거의 절반은 이제 적어도 하나의 비디오 스트리밍 서비스에 가입한다. 한 추정에 의해, Netflix®, Amazon Prime Video® 및 iTunes®와 같은 가장 대중적인 비디오 서비스들에 기인하는 트래픽량을 합치면 미국에서 모든 피크 인터넷 트래픽의 40% 이상을 차지하고, 또 다른 18%는 YouTube®에 기인한다. UHD(Ultra-high definition) 컨텐츠도 시장에 출현하기 시작하고 있다. 따라서, 인터넷 트래픽의 증가는 가까운 미래에 보다 증가할 것으로 예상된다. Netflix® 서비스의 경우, HD 컨텐츠에 대해 5Mbps가 권고된다. 그러나, UHD 컨텐츠의 경우는 25Mbps 연결이 권고된다. UHD 스트림들은 시간당 최대 7GByte를 소비할 수 있다.

오늘날, 20, 000, 000명의 미국인들이 10Mbps+ 서비스에 액세스할 수 없고, 그 수는 대략 16억 가구로 증가한다고 추정된다. 그들의 옵션은 여유가 있는 사람들을 위한 위성 광대역 및 롱 루프 DSL 연결, 또는 위성 또는 DSL 광대역도 감당할 수 없는 세계 다른 많은 지역들에서의 스마트폰에 대한 모바일 광대역 전용 솔루션이다. 동시에, 저소득 가구의 급격한 증가 추세, 그리고 코드 커팅(cord-cutting)에 중점을 둔 청년층 집단에서는 더욱 더, 비싼 고정 유선 광대역을 없애면서, 비디오 데이터에 액세스하기 위해 선호되는 수단으로서 모바일 서비스를 사용하고 있다.

점점 더 고속의 무선 데이터 연결을 프로비저닝하는 것은 수십 년 동안 무선 통신 사업자 인프라 성장의 초점이었고, 소비자들이 어디에 있든 각 또는 임의의 디바이스들에 비디오를 스트리밍 하려는 수요가 급격히 증가함에 따라 가속화되었다. 보다 낮은 비트당 한계 비용으로 인터넷을 통해 대역폭 집약적인 비디오 컨텐츠를 보다 많이 소비하려는 사용자들의 욕구, 및 가정과 대형화면 디바이스들(즉, TV, 랩탑)을 포함하여 사용자들의 요구를 더 많이 충족시키려는 무선 공급자들의 욕구와 함께, 증가하는 무선 성능은 무선 네트워크들을 통해 폭발적으로 증가하는 비디오 데이터 트래픽 수요를 핸들링하기 위해 훨씬 더 높은 레벨의 용량을 수용하기 위한 무선 네트워크들에 대하여 필요 사항을 요구하고 있다.

오늘날 무선 네트워크들은 개선될 수 있는 전통적인 수단을 사용하여 비디오 배포에 여전히 임하고 있다. 비디오 데이터 트래픽은 소비자들이 비디오 데이터 트래픽을 소비하기를 원하는 것과 동시에 무선 네트워크들을 통해 전달된다. 소비자는 주로 사회적 구조에 의해 주도되는 시간에 데이터를 소비하며, "황금 시간" 동안을 포함하여 소비자 기반 전체에서 동시에 상당한 소비가 발생하기 때문에, 상당한 "피크" 소비의 시간 간격이 통상적이고, 무선 네트워크는 종종 피크 로드를 핸들링할 수 있는 용량이 충분하지 않다. 또한, 소비자들은 대부분 특정 시점에서 다른 소비자들과 상이한 컨텐츠를 소비하는바, 선택 라이브 컨텐츠(예를 들어, 스포츠 이벤트, 인기 쇼의 예정된 출시) 이외의 실시간 소비에 대해 사용자들이 브로드캐스팅 컨텐츠를 효율적으로 사용하는 것을 어렵게 한다(관련성이 낮기 때문에).

브로드캐스트용으로 설계된 3GPP 표준 eMBMS 기능은 설계된 방식으로 배포시 통신사에서 채택하는 데 어려움을 겪었다. 동시에 많은 사용자들에게 순간적으로 비디오를 브로드캐스트할 때, 실시간 트래픽 요구 사항들을 완화하는 경우는 거의 없다. 문제를 복잡하게 만들기 위해, eMBMS는, 성공적으로 서빙되지 않을 최악의 사용자에 대해 피드백 없이 맹목적인 방식으로 브로드캐스트를 설계할 필요가 있다. 셀의 에지 또는 간섭이 발생하기 쉬운 위치들에 있을 수 있는 모든 잠재적 수신자들에게 강력한 전송을 보장하기 위해, 단일 섹터 캐리어는 낮은 스펙트럼 효율성 모드(Hz당 초당 비트로 측정됨, bps/Hz)에서 구성되어야 하는 단일 광대역 안테나 빔 패턴으로 브로드캐스트된다. 이와 같이, 당시 요청한 사용자 외에 실시간 데이터 송신에 관심이 있는 사용자가 거의 없는 경우, 트래픽을 유니캐스팅하는 것이 아닌, 더 나쁜 성능 비율과 더 낮은 헤르츠당 효율로 트래픽을 브로드캐스팅하는 것으로 틈새 애플리케이션 클래스에 무선 방송을 제공했다.

그러나, 소비자들은 더 오랜 기간 동안 다른 소비자들과 대체로 동일한 장편 컨텐츠, 즉 블록버스터 영화 및 인기 TV 시리즈를 소비하므로, 실시간 요구 사항이 "3개월 이상"으로 완화되거나 실시간 시간대보다 더 긴 경우 소비자가 더 정확하게 소비할 것을 "예측"하는 것이 가능하다. 소비자들이 일반적으로 원하는 컨텐츠를 식별하고 소비자들이 소비하기를 원하는 시간보다 미리 네트워크를 통해 컨텐츠를 브로드캐스트하고, 소비자의 영역(premises)에 로컬로 컨텐츠를 저장하며, 무제약 매체(즉 홈 와이파이 네트워크)를 통해 소비자에게 컨텐츠를 서빙하는 시스템은 상당량의 비디오 데이터 컨텐츠 및 대응하는 정체(congestion)로부터 무선 네트워크를 완화할 수 있는데, 이는 한 번에 많은 사용자들에게 브로드캐스트 하는 것이, 심지어 미래 소비를 "예측"하기 위해 수행되더라도, 사용자가 컨텐츠를 요청할 때 한 사용자에게만 유니캐스트 하는 것보다 훨씬 더 스펙트럼적으로(spectrally) 효율적일 수 있다. 또한, 무선 네트워크가 실시간 트래픽에 필요하지 않은 "예비 용량"이 있는 시간 동안 이러한 시스템이 브로드캐스트 배포를 수행한다면, 시스템은 무선 네트워크를 더욱 완화할 수 있을 것이다.

무선 용량 밀도에 대해 증가하는 수요를 해결하기 위해, 통신 사업자들은 5G 및 "대규모 MIMO" 유형의 솔루션을 찾고 있다. 많은 5G 솔루션들은 더 높은 주파수에서 발견되는 점점 더 큰 채널 대역폭을 필요로 한다. 이러한 주파수가 증가함에 따라, 구성요소당 상대적인 안테나 크기는 주파수에 반비례하여 감소한다. 이는 적절한 계산 프로세싱을 통해, "대규모 MIMO" 기지국을 생성할 수 있는 더 많은 구성요소를 포함하는 보다 복잡한 능동 안테나 어레이 시스템을 가능하게 하는 데 도움이 되었다. 이러한 기지국은 더 작고 집중된 안테나 빔을 많이 생성할 수 있으며, 이는 일상적으로 120도 방위각 섹터에서 동일한 주파수를 두 번 이상 공간적으로 재사용할 수 있다.

일부 학술 논문에서는 "대규모 MIMO" 환경에서의 브로드캐스트 개념에 대해 논의하고 있으며, 유니캐스트 빔 솔루션의 중첩이 브로드캐스트 빔의 표현을 제공할 수 있다는 결론을 내리나, 그 빔은 n 개의 유니캐스트 빔을 사용하여 n 명의 사용자에게 원하는 컨텐츠의 n 개 복사본을 제공하는 것보다 더 스펙트럼적으로 효율적이지 않다. 즉, 그러한 환경에서 유니캐스트에 대한 해결책을 제시하지 못한다.

본 개시는 브로드캐스트 가능 모델을 사용하여 증가하는 비디오 컨텐츠 수요를 훨씬 더 효과적으로 충족시키기 위한 무선 인프라스트럭처의 새로운 사용을 가능하게 한다. 본 시스템은 고정/거주 고객을 위해 구상되지만, 다른 비고정 위치 디바이스들, 휴대용 및 모바일 디바이스들도 본 명세서에서의 교시로부터 이익을 얻을 수 있다.

본 개시의 일 양태에서, 통신 시스템 운용 방법은 기지국에 커플링된 제1 안테나 어레이를 통해 복수의 디바이스들에 사운딩 신호를 통신하는 단계를 포함한다. 본 방법은 사운딩 신호에 응답하여, 복수의 디바이스들 각각으로부터 기지국에 응답 신호를 통신하여, 응답 신호로부터 디바이스 위치, 사운딩 신호의 신호 강도 및 사운딩 신호의 위상 정보를 포함하는 디바이스 데이터를 결정하는 단계, 복수의 디바이스들을 제1 그룹으로 그룹화하는 단계, 제1 그룹에 데이터 신호를 통신하기 위해 제1 안테나 어레이의 출력을 성형하도록 제1 그룹에 대한 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계, 및 제1 송신 빔포밍 가중치들 및 널(null)들을 사용하여 제1 안테나 어레이로부터의 무선 신호를 통해 데이터 신호를 제1 그룹에 브로드캐스트하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 또 다른 양태에서, 기지국에 커플링된 프로세싱 유닛은 복수의 디바이스들에 사운딩 신호를 통신하는 기지국과 연관된 안테나 어레이를 포함한다. 최적화 회로는 복수의 디바이스들 각각으로부터 응답 신호를 수신하고, 응답 신호로부터 디바이스 위치, 사운딩 신호의 신호 강도 및 사운딩 신호의 위상 정보를 포함하는 디바이스 데이터를 결정한다. 최적화 회로는 디바이스 데이터에 기초하여 복수의 디바이스들을 제1 그룹으로 그룹화한다. 빔 포머는 제1 그룹에 데이터 신호를 통신하기 위해 제1 안테나 어레이의 출력을 성형하도록 제1 그룹에 대한 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성한다. 안테나 어레이는 제1 송신 빔포밍 가중치들 및 널(null)들을 사용하여 무선 신호를 통해 데이터 신호를 제1 그룹에 브로드캐스트한다.

추가의 적용 영역들은 본 명세서에서 제공되는 설명으로부터 명백해질 것이다. 설명 및 특정 예들은 단지 예시를 목적으로 하고, 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

본 명세서에 설명되는 도면들은 단지 예시를 위한 것이고, 어떠한 식으로도 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1a는 통신 시스템의 제1 예의 상위 레벨 블록도이다.
도 1b는 다수의 안테나들이 있는 셀 시스템의 블록도이다.
도 1c는 사용자 단말이 사이에 있는 한 쌍의 셀 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 통신 시스템의 보다 상세한 도면의 블록도이다.
도 3은 로컬 영역 네트워크에서의 복수의 사용자 디바이스들의 블록도이다.
도 4는 프로세싱 유닛의 상위 레벨 블록도이다.
도 5는 브로드캐스트 세션을 시작하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 6은 그룹을 형성하고 그룹과 통신하는 방법의 흐름도이다.
도 7은 셀의 에지에 있는 사용자 단말들과 동작하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 8은 송신기 및 수신기의 블록도이다.
도 9는 내점(interior point) 문제를 사용하여 가중치들을 계산하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 10은 디커플링 문제로부터 가중치들을 계산하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 11은 애퍼처 이득(aperture gains) 대 도달 각도(angle of arrival, AOA)의 흐름도이다.
도 12는 베이스 안테나 위상 대 AOA이다.
도 13은 베이스 안테나 게임 차트 대 잡음층 및 송신 전력 범위이다.
도 14는 리모트 안테나 위상 대 AOA이다.
도 15는 셀 타워에 대한 리모트 유닛의 위치의 차트이다.
도 16은 브로드캐스트 등방성 빔 패턴의 예이다.
도 17은 브로드캐스트 등방성 빔에 대한 수신 신호 대 잡음비의 히스토그램이다.
도 18은 리모트당 용량 대 5% 컬링(culling) 이후 리모트 수이다.
도 19는 리모트당 용량 대 리모트 수의 차트이다.
도 20은 리모트당 용량 대 5% 컬링 이후 베이스 안테나 수이다.
도 21은 리모트당 용량 대 5% 컬링 이후 리모트 안테나 수의 흐름도이다.
도 22는 스펙트럼 효율 대 컬링된 리모트 수의 차트이다.
도 23은 스펙트럼 효율 대 섹터 빔 폭이다.

다음의 설명은 사실상 단지 예시적인 것이고, 본 개시, 적용, 또는 사용을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 명료함을 위해, 도면들에서 유사한 요소들을 식별하기 위해 동일한 참조 부호들이 사용될 것이다. 본 명세서에서 사용될 때, 모듈이라는 용어는 주문형 집적 회로(ASIC), 전자 회로, 하나 이상의 소프트웨어 또는 펌웨어 프로그램을 실행하는 프로세서(공유, 전용, 또는 그룹) 및 메모리, 조합 로직 회로, 및/또는 설명된 기능을 제공하는 다른 적합한 구성요소들을 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, A, B 및 C 중 적어도 하나라는 어구는 비배타적 논리 OR을 사용하여, 논리 (A or B or C)를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 방법 내의 단계들은 본 개시의 원리들을 변경하지 않고 상이한 순서로 실행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시의 교시 내용은 최종 사용자 또는 사용자 디바이스에 컨텐츠를 전자적으로 통신하기 위한 시스템에서 구현될 수 있다. 데이터 소스 및 사용자 디바이스 양자는 입력 및 출력 데이터를 위한 메모리 또는 다른 데이터 저장소를 갖는 일반적인 컴퓨팅 디바이스를 사용하여 형성될 수 있다. 메모리는 하드 드라이브, FLASH, RAM, PROM, EEPROM, ROM 상변화 메모리 또는 다른 별개의 메모리 구성요소들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

각 범용 컴퓨팅 디바이스는 아날로그 회로부, 디지털 회로부, 또는 이들의 조합들로 전자적으로 구현될 수 있다. 나아가, 컴퓨팅 디바이스는 다양한 시스템 구성요소들에 의해 수행되는 단계들을 수행하기 위한 명령어들을 수행하는 마이크로 프로세서 또는 마이크로 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 컨텐츠 또는 서비스 제공자가 설명된다. 컨텐츠 또는 서비스 제공자는 최종 사용자에 대한 데이터의 제공자이다. 예를 들어, 서비스 제공자는 데이터 스트림 또는 신호에서의 실제 컨텐츠뿐만 아니라 메타 데이터와 같은 컨텐츠에 대응하는 데이터를 제공할 수 있다. 컨텐츠 또는 서비스 제공자는 범용 컴퓨팅 디바이스, 통신 구성요소들, 네트워크 인터페이스들 및 시스템에서의 다양한 다른 디바이스들과의 통신을 가능하게 하기 위한 다른 관련 회로부를 포함할 수 있다.

또한, 다음의 개시가 비디오(예를 들어, 텔레비전(TV), 영화들, 뮤직 비디오들 등)의 전달에 대하여 이루어지지만, 본 명세서에서 개시되는 시스템들 및 방법들은 임의의 미디어 컨텐츠 유형의 전달, 예를 들어, 오디오, 뮤직, 데이터 파일들, 웹 페이지들, 광고, 소프트웨어, 소프트웨어 업데이트들, IoT 데이터, 날씨, 애플리케이션, 애플리케이션 데이터, "최상의 웹" 컨텐츠, 자료들의 e-전달 등에도 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 개시 전반에 걸쳐, 데이터, 컨텐츠, 정보, 프로그램들, 영화 예고편들(movie trailers), 영화들, 광고, 자산들, 비디오 데이터 등이 언급되지만, 이러한 용어들은 본 명세서에서 개시되는 예시적인 시스템들 및/또는 방법들을 참조하여 실질적으로 균등하다는 것이 당업자들에게 용이하게 명백할 것이다.

다음의 개시가 특정 브로드캐스트 서비스들 및 시스템들로 이루어지지만, 많은 다른 전달 시스템들이 개시되는 시스템들 및 방법들에 쉽게 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 본 시스템들은 무선 지상파 배포 시스템들, 유선 또는 케이블 배포 시스템들, 케이블 텔레비전 배포 시스템들, 초고주파(Ultra High Frequency, UHF)/초단파(Very High frequency, VHF) 무선 주파수 시스템들 또는 다른 지상파 브로드캐스트 시스템들(예를 들어, 멀티 채널 멀티 포인트 배포 시스템(Multi-channel Multi-point Distribution System, MMDS), 로컬 멀티 포인트 배포 시스템(Local Multi -point Distribution System, LMDS) 등), 인터넷 기반 배포 시스템들, 또는 모바일 배포 시스템들, 전력선 브로드캐스트 시스템들, 임의의 점대점 및/또는 멀티캐스트 인터넷 프로토콜(Internet Protocol, IP) 전달 네트워크, 및 광섬유 네트워크들을 포함한다. 나아가, 서비스 제공자 및 후술되는 바와 같은 중간 디바이스들 사이에 집합적으로 할당된 상이한 기능들은 본 개시의 의도된 범위로부터 벗어나지 않고 원하는 대로 재할당될 수 있다.

사용자 디바이스들은 제약이 있는 네트워크를 통해 인터넷에 커플링될 수 있거나 인터넷에 전혀 커플링되지 않을 수도 있다. 제약이 있는 네트워크에서, 속도 또는 이용 가능한 자원들은 서비스 품질 레벨을 제공하기에 충분하지 않을 수 있다. 본 예들에서, 제약이 있는 네트워크 또는 제한이 덜한 제2 네트워크의 잔여 용량은 중간 디바이스에서 컨텐츠를 미리 위치시키는 데 사용될 수 있다. 그 후, 미리 위치된 컨텐츠는 실시간 소비를 위해 제약이 있는 네트워크를 사용하는 것에 의존할 필요 없이, 실시간 소비를 위해 사용자 디바이스에서 요구될 때 중간 디바이스 저장소로부터 직접 또는 제2 통신 네트워크(즉, 로컬 네트워크)를 통해 제공될 수 있다.

잔여 용량은 정규 고객 사용 동안 컨텐츠 시스템 제공자에 의해 데이터 또는 컨텐츠를 송신하는 데 사용되고 있지 않은 자원 또는 복수의 자원들이다. 1차 고객들을 위한 통신 네트워크의 정규 사용은 1차 사용으로 지칭될 수 있다. 잔여 용량은 2차 사용으로 지칭될 수 있고, 컨텐츠 제공자와 통신 시스템 제공자 간의 합의들 사이에서 관리될 수 있다. 컨텐츠 제공자는 잔여 용량을 사용하여 사용자들에게 서비스를 제공하기를 원할 수 있다. 사용자들은 컨텐츠가 거치는 경로를 알지 못할 수 있다. 잔여 용량은 또 다른 사용에 할당될 수 있는 보다 낮은 우선순위를 갖는 자원들을 또한 포함할 수 있다. 가장 간단한 의미에서, 잔여 용량은 네트워크 사용의 비-피크 시간 동안 점점 더 활용되지 않은 채로 남아 있는 데이터 경로 또는 대역폭이다. 반대로, 네트워크 사용의 피크 시간 동안 이용 가능한 잔여 용량이 제한된다. 모든 경우들에서, 네트워크 사용의 피크 시간은 네트워크에 의해 제공되는 서비스들의 대부분의 사용이 네트워크의 사용자들 또는 직접 고객들에 의해 일어나고 있는 시간으로서 특징지어진다. 비-피크 시간은 그들의 사용자에 의해 서비스의 최소 사용이 일어나고 있는 시간이다. 예를 들어, LTE(long term evolution) 무선 네트워크 시스템에서, 잔여 용량은 실시간으로 사용자들로부터 요청되는 음성 또는 데이터 컨텐츠에 사용되지 않는 대역폭일 수 있다. "스펙트럼 재사용"의 경우들에서, 피크 시간 동안 일부 컨텐츠의 실시간 소비를 위해 일부 사용자들에 의해 사용되는 용량은 컨텐츠가 유니캐스트되는 것이 아니라 브로드캐스트되는 경우, 다른 컨텐츠의 실시간 소비를 위해 다른 사용자들에 의해 사용 불가능하거나 또는 동일한 컨텐츠의 실시간 소비를 위해 다른 사용자들에 의해서만 사용 가능한 용량으로서, 동시에 잔여 용량을 남길 수 있다. "네트워크 재사용"의 경우들에서, 피크 시간 동안 컨텐츠의 실시간 소비를 위해 일부 사용자들에 의해 사용되는 용량은 다른 시간이 비-피크 시간이고 그 시간에 사용자들이 사용하려는 관심(결국 네트워크에 피크 타임이 있는 이유로서 사용자들이 사용하려는 관심)이 없기 때문에 이 시간에 다른 사용자들에 의한 컨텐츠의 실시간 소비에 사용되도록 요구되지 않는 용량으로서 다른 시간에 잔여 용량을 남길 수 있다.

잔여 용량은 중간 디바이스들, 통신 시스템 제공자, 및 컨텐츠 서비스 제공자의 상호 통신에 의해 다양한 방식들로 사용될 수 있다. "스펙트럼 재사용"의 경우들에서, 동일한 스펙트럼을 사용하여, 다수의 사용자들에 의한 실시간 소비를 위해 동일한 스펙트럼의 추가적인 병렬 사용을 만들어 내기 위한 많은 노력이 있었다. 그러나, 잔여 용량을 사용하여, 거의 무한히 높은(혜택을 받는 사용자 수만큼) 재사용량이, 이러한 컨텐츠를 유니캐스트하는 대신에, 이를 단순히 브로드캐스트함으로써, 그리고 일부 사용자들이 이를 실시간 소비를 위해 사용하게 하고, 동시에 이러한 동일한 컨텐츠를 다른 중간 저장 디바이스들에 저장함으로써, 잔여 용량이 비-실시간 소비를 위해 사용되게 함으로써 발생될 수 있고, 이어서 추후 상이한 시간 동안 다른 사용자들에 의해 직접 또는 본 명세서에서 설명된 네트워크보다 제약이 덜 할 수도 있는 다른 통신 네트워크들을 사용하여 액세스될 수 있다. 또한, "네트워크 재사용"의 경우들에서, 오늘날 이러한 잔여 용량은 운영자가 실시간 소비를 원하는 것보다 "사용량이 적은(off-peak)" 시간에 네트워크를 더 많이 사용하도록 "사용자 거동의 변화"를 장려하는 것에 어려움을 겪으면서 크게 활용되지 않는다 - 사용량이 많지 않은 시간 대신 피크 시간 동안의 실시간 소비를 위해 네트워크를 사용하는 소비자의 이점이, 운영자들이 소비자들의 실시간 소비를 전환하기 위해 소비자들에게 줄 수 있는 임의의 장려책 또는 이점들을 훨씬 더 능가한다. 그러나, 잔여 용량은 잔여 용량을 사용하여 컨텐츠를 유니캐스트 또는 브로드캐스트함으로써, 그리고 이러한 컨텐츠를 다른 중간 저장 디바이스들에 저장함으로써 비-실시간 소비를 위해 완전히 사용될 수 있고, 이어서 추후 상이한 시간 동안 다른 사용자들에 의해 직접 또는 본 명세서에서 설명된 네트워크보다 제약이 덜 할 수 있는 다른 통신 네트워크들을 사용하여 액세스될 수 있다.

잔여 용량의 이용 가능성을 식별하기 위해, 실시간 소비 및 잔여 용량을 포함하는 용량의 현재 이용 가능성 및 용량의 향후 이용 가능성에 관한 질의들이 형성될 수 있다. 또한, 진화형 멀티미디어 브로드캐스트 및 멀티캐스트 서비스(evolved multimedia broadcast and multicast services, eMBMS) 품질 등급 식별자들뿐만 아니라, 임의의 무선 또는 다른 통신 시스템에서 사용되는 서비스 품질 등급 식별자(quality-of-service class identifier, QCI)들을 사용하는 서비스 품질(Quality of service, QoS) 우선순위화가 수행될 수 있어서, 실시간 소비를 위한 트래픽에 더 높은 QCI 레벨들을 제공하면서, 더 낮은 QCI 레벨들에 비-실시간 소비를 위한 트래픽을 남겨두어, 이를 잔여 용량만을 사용하도록 효과적으로 렌더링한다.

잔여 용량을 사용하여 통신될 컨텐츠의 우선순위가 형성될 수 있다. 잔여 용량을 사용하는 컨텐츠의 전달은 큐에 의해 작동될 수 있다. 전달될 모든 컨텐츠는 컨텐츠의 각 부분에 대해 귀속된 우선순위 레벨들로 큐에 배치될 수 있고, 그 후 잔여 용량 이용 가능성에 따라 자동으로 큐로부터 서빙될 수 있어, 어느 컨텐츠가 어떤 규칙에 따라 어떤 시퀀스로 서빙되는지를 조정한다. 잔여 용량을 사용하여 또한 컨텐츠가 재송신될 수도 있다. 사용자 선호도들(큐잉), 누락 컨텐츠(오차 정정), 일부 사용자들에게 가장 인기 있는 컨텐츠(개인화), 대부분의 사용자들에게 가장 인기 있는 컨텐츠(인기 또는 숏 테일(short-tail) 최적화)뿐만 아니라, 컨텐츠의 나머지도 모두 큐들 내에서 우선순위화하는 데 사용될 수 있다.

본 시스템은 고용량 브로드캐스트 전달 시스템 또는 타겟화된 유니캐스트 전달 시스템을 제공한다. 본 시스템은 컨텐츠가 요구되는 시간에 컨텐츠 통신 네트워크를 횡단할 필요 없이 사용자들이 OTT(over-the-top) 컨텐츠, 소프트웨어 업데이트들, 또는 다른 고집약적인 데이터 애플리케이션들과 같은 대량 컨텐츠에 액세스할 수 있게 하기 위해, 컨텐츠 통신 네트워크에서의 초과 용량 또는 잔여 용량의 전략적 사용을 로컬 컨텐츠 저장소에 컨텐츠를 캐싱 및 저장함으로써 컨텐츠를 사용자들에 가깝게 미리 위치시키는 것을 조합함으로써 컨텐츠를 미리 위치시키기 위해 사용될 수 있다. 이 시스템은 실시간 소비를 위해 컨텐츠를 요청하는 사용자들에게만 컨텐츠를 유니캐스트하는 것이 아니라, 실시간 소비를 위해 컨텐츠를 요청하는 사용자들에게 그리고 미리 위치시키기 위해 잔여 스펙트럼 용량을 사용하는 다른 사용자들에게 컨텐츠를 브로드캐스트함으로써 실시간 소비와 동일한 정확한 스펙트럼을 통해(스펙트럼 재사용의 경우) 시스템의 잔여 용량을 사용할 수 있거나, 또는 실시간 소비를 위한 사용량이 피크가 아닌 네트워크로부터 남은 잔여 용량을 통해, 컨텐츠를 미리 위치시키기 위해 유니캐스트하거나 브로드캐스트함으로써 시스템의 잔여 용량을 사용할 수 있다. 아래에서 더 설명될 바와 같이, 본 시스템은 LTE 시스템, 위성 시스템 또는 디지털 텔레비전 시스템과 같은 모바일 또는 셀룰러 시스템들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 상이한 유형들의 통신 시스템들의 잔여 용량을 사용할 수 있다. 비디오 컨텐츠와 같은 컨텐츠는 컨텐츠를 내부에 저장하는 중간 디바이스에 제공될 수 있다. 사용자들이 실시간 소비를 위해 컨텐츠를 요청할 때, 컨텐츠는 컨텐츠가 사용자들의 요청들에 응답하여 컨텐츠 통신 네트워크에 의해 서빙될 것을 요구하고 사용자들이 제약이 있는 컨텐츠 통신 네트워크의 느린 속도를 받게 하거나 컨텐츠 통신 네트워크에 부담을 더 지우는 것이 아니라, 저장되거나 캐싱된 컨텐츠 저장소로부터 제공될 수 있다. 영화, 텔레비전, 쇼, 다큐멘터리 및 뉴스를 비롯한 매우 다양한 비디오 프로그래밍이 사용자 선호도에 기초하여 제공될 수 있다. 또한, 즉각적인 리플레이와 같은 다른 유형들의 비디오 프로그래밍도 사용자들에게 제공될 수 있다. 본 시스템은 또한, 중간 디바이스에 커플링되는 다양한 유형들의 사용자들에 대한 소프트웨어 및 사용자 애플리케이션 업데이트들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 시스템은 또한, 방어 목적 또는 대량 데이터가 요구되는 목적을 위해서도 사용될 수 있지만, 반면 데이터는 컨텐츠 통신 네트워크에 의해 로컬 컨텐츠 저장소에 미리 위치될 수 있고 라이브 또는 실시간 기반으로 데이터 소스로부터 전달될 필요가 없다.

본 시스템은 특히, 시외 고객들, 속도가 떨어지는 시장의 고객, 저용량 네트워크들, 또는 대량 데이터, OTT 서비스 또는 다른 대형 데이터 애플리케이션들에 액세스하기 위해 동등한 고속 케이블 또는 파이버 네트워크 공급을 제공하기 위해 저속 네트워크들을 이용하기를 원하는 회사들의 고객들에게 특히 적합하다. 구체적으로, 본 시스템은 또한, 시내 또는 다른 고객들이 추가적인 고속 케이블 또는 파이버 네트워크 공급 없이도, 무선, 위성, TV, 또는 DSL 또는 다른 유선 네트워크들을 사용하여, 그들의 컨텐츠 요구를 효과적으로 충족시킬 수 있게 할 수 있다. 이에 따라, OTT(over-the-top) 컨텐츠 비디오, 소프트웨어 업데이트들, 및 다른 대량 데이터를 포함하는 대량 데이터 컨텐츠가 본 시스템에 의해 서빙되기 위해 분담될 수 있는 한편, 저속 컨텐츠 통신 네트워크는 피크 또는 정규 용량을 사용하여 효과적으로 미리 위치될 수 없는 사용자들의 실시간/라이브 음성 및 데이터 요청들을 서빙하고, 이에 따라 가정 내의 고속 케이블 또는 파이버 네트워크 공급에 대한 필요성이 제거될 수 있어서, 비용이 감소될 수 있다. 본 시스템은 또한, 고속 케이블 및 파이버 네트워크들, 또는 전술한 네트워크들 중 임의의 것에 대한 혼잡이, 미리 위치시키는 것을 통한 컨텐츠 전달 및 로컬 컨텐츠 저장소들로부터의 후속 사용을 조합함으로써, 그리고 일원화된 시스템에서, 피크 또는 정규 용량을 사용하여 효과적으로 미리 위치될 수 없는 사용자들의 실시간/라이브 음성 및 데이터 요청들을 서빙함으로써 완화될 수 있게 할 수 있다. 또한, 이 시스템은 컨텐츠를 미리 위치시키는 것 및 로컬 컨텐츠 저장소들로부터의 후속 사용을 위한 잔여 용량, 및 사용자들의 실시간/라이브 음성 및 데이터 요청들을 서빙하기 위한 피크 또는 정규 용량의 조합을 사용함으로써, 컨텐츠 통신 네트워크의 용량의 훨씬 더 큰 부분, 또는 전체를 사용함으로써 광대역 네트워크들의 유효 용량을 증가시킬 수 있다. 사용자에 다운로드될 가능성이 있는 컨텐츠가 로컬 컨텐츠 저장소, 또는 중간 디바이스에 미리 위치된 다음, 중간 디바이스로부터 서빙된다면, 특히 피크 시간에, 실시간/라이브 요청 기반으로 컨텐츠 통신 네트워크를 대신 사용할 필요성이 감소된다. OTT 비디오 및 소프트웨어 업데이트들을 비롯한 대량 데이터를 미리 위치시키는 것은 특히 피크 시간 동안, 다른 실시간 컨텐츠 요청들, 실시간 양방향 통신, 또는 다른 라이브 컨텐츠 소비를 위해 모바일 및 고정 광대역 네트워크들의 용량을 자유롭게 한다. 사전 배치, 잔여 용량 접근법을 실시간 음성 및 데이터 요청, 피크 또는 정규 용량 접근법들과 조합함으로써, 보다 저속 광대역 서비스 제공자들은 확립된 케이블 또는 파이버 제공자들과 정면으로 경쟁할 수 있는 한편, 전술한 네트워크들 중 임의의 네트워크는 이러한 접근법들의 조합을 레버리징함으로써 성능을 개선한다.

또한, 시스템은 (eMBMS에서 설명된 모드의 경우에서와 같이) 실시간 소비를 위한 동일한 컨텐츠를 원하는 다른 사용자들이 있을 때뿐만 아니라, 제1 사용자의 요청들에서와 동일한 컨텐츠를 중간 저장소에 저장한 다음 실시간 그러나 추후 소비를 위해 이 컨텐츠에 액세스하기 위해, 비-실시간 소비를 위해 이 컨텐츠를 원할 수 있는 다른 사용자들이 있을 때에도, 브로드캐스트 모드 송신을 사용하여, 실시간 소비에 대해 제1 사용자로부터의 사용자 요청들을 서빙할 수 있는 것이 바람직하다. 제1 사용자가 컨텐츠에 액세스하기를 요청할 때, 유니캐스트 모드 송신을 사용하여 그 제1 사용자의 요청을 서빙하는 대신에, 본 시스템은 브로드캐스트 송신을 사용하여 제1 사용자의 요청을 서빙할 수 있어서, 실시간 소비를 위해 그 컨텐츠에 액세스하고자 하는 제1 사용자와 임의의 다른 사용자가 그 컨텐츠를 실시간 소비하는 것을 가능하게 하며; 동시에, 잔여 브로드캐스트 송신은 비-실시간 소비를 위해 브로드캐스트 송신에 의해 다룰 수 있는 임의의 및 모든 다른 사용자들의 디바이스들에 의해 수신될 수 있어서, 그러한 디바이스들에 컨텐츠를 저장하고, 그러한 임의의 그리고 모든 다른 사용자들이 어느 정도 추후에 실시간 소비를 위해 그 디바이스들로부터 직접 컨텐츠에 액세스하는 것을 가능하게 한다.

본 시스템은 유니캐스트 송신이 오늘날 더 높은 스루풋을 제공하고 브로드캐스트 송신보다 50-1,000% 정도 더 높은 스펙트럼 효율을 갖기 때문에, 유니캐스트 송신을 사용하여 주어진 제1 사용자의 요청을 서빙하는 것이 유리할 때를 결정할 수 있고, 그리고 브로드캐스트 송신이 유니캐스트 송신보다 스루풋 및 스펙트럼 효율에서 50-1,000% 정도 불리할 수 있지만, 이러한 요청이 비-실시간 소비를 위해 그들의 디바이스들에 의해 수신되고 저장되게 하고, 추후에 실시간 소비를 위해 액세스되게 하는 것으로부터 이익을 얻을 제1 사용자보다 50-1,000% 더 많은 사용자들이 존재하는 경우, 브로드캐스트 송신을 사용하여 제1 사용자 요청을 대신 서빙하는 것이 유리할 때를 결정할 수 있다. 이는 얼마나 많은 사용자들이 이익을 얻을 수 있는지에 대한 분석을 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 그들의 사용 선호도들의 분석, 요청에서의 컨텐츠의 인기도, 및 추후에 유니캐스트 송신을 사용하여 그들 사용자들을 서빙하는 비용이 현재 시간에 브로드캐스트 모드 송신 대 유니캐스트 모드 송신을 사용하는 비용보다 더 클 가능성에 기초하여 얼마나 많은 사용자들이 이익을 얻을 수 있는지에 대한 가능성도 수반할 수 있다.

나아가, 본 시스템은 또한 임의의 주어진 디바이스가 잔여 용량 브로드캐스트를 수신하고 비-실시간 소비를 위해 데이터를 저장해야 하는지, 또는 단순히 데이터를 지나가게 해야 할지를 결정하기 위한 메커니즘을 포함할 수 있다. 이 결정은 현재 이용 가능한 저장 디바이스, 비-실시간 소비를 위해 그 디바이스에 이미 저장된 컨텐츠, 및 비-실시간 소비를 위해 그 디바이스에 전달되도록 스케줄링된 컨텐츠, 그리고 기회 브로드캐스트 데이터의 상대 값 및 이를 수신하고 저장하는 비용 대 그 디바이스에 미리 저장되거나 비-실시간 소비를 위해 그 디바이스에 전달되게 스케줄링된 컨텐츠의 값에 기초할 수 있다.

예를 들어, 제1 사용자는 비교적 인기있는 영화인 영화 #1을 시청하기를 원하고, 실시간 소비를 위해 영화 #1이 전달될 것을 요청한다. 본 시스템은 제1 사용자와 동일한 지역에 있는 사용자들의 단지 10%만이 비-실시간 소비를 위해 그들의 디바이스들 상에 이미 저장된 영화 #1을 갖지만, 사용자들의 나머지 90% 중 70% 또는 63%가 영화 #1이 비-실시간 소비를 위해 그들의 디바이스들에 저장되었다면 추후에 영화 #1을 소비할 가능성이 높다고 분석한다. 본 시스템은 유니캐스트 송신 대신에 브로드캐스트 송신을 사용하여 영화 #1을 제1 사용자에게 서빙하는 한편, 제1 사용자가 잔여 브로드캐스트 송신을 수신하고 사용자들의 이들 63%에 의한 비-실시간 소비를 위해 영화 #1을 저장할 때 지역 내의 사용자들의 다른 63%를 갖는다. 추후에, 비-실시간 소비를 위해 디바이스들에 영화 #1을 저장한 이들 사용자들 중 몇몇은 어느 정도 추후에 영화 #1을 시청하라 것을 요청하고, 영화 #1은 네트워크를 사용하는 대신에 그들의 디바이스들로부터 직접 사용자들에게 서빙된다.

본 시스템은 단독으로 또는 조합하여 공지된 브로드캐스트 시스템들에 비해 개선점들을 제공하는 몇몇 향상점들을 포함한다. 예를 들어, 본 시스템은 1) 활성 유니캐스트 및 활성 및 잠재적 브로드캐스트 단말들을 포괄하는 모든 데이터 사용자 단말들로부터의 채널 피드백 메커니즘, 2) 최적화된 멀티 요소 활성 안테나 어레이 생성 브로드캐스트 빔들, 및 3) 사용자 단말에서 브로드캐스트된 데이터의 실질적인 저장 및 사용자 단말로부터 로컬로 실시간 소비를 위해 요청될 때의 데이터의 서빙을 사용할 수 있다.

채널 피드백 및 능동 안테나 어레이들의 존재로, 종래의 eMBMS 무선 브로드캐스트에 비해 상당한 개선이 달성될 수 있다. 주어진 디바이스에 대한 안테나 패턴을 구체적으로 최적화함으로써, 입사 디바이스가 최적화된 빔 송신을 수신하는 것에 더하여, 다수의 비교적 유사하게 위치된 사용자 단말들이 잔차 기반으로 입사 디바이스와 같은 송신을 수신할 수 있고, 송신의 전체 스펙트럼 효율이 실질적으로 증가될 수 있다. 본 시스템은 주어진 송신에 대한 여분의 성능의 대규모 MIMO/빔포밍 이익들, 및 동일한 송신 내에서 정보를 수신하는 다수의 사용자 단말들의 브로드캐스트 이익들을 사용한다.

또한, 입사 디바이스들에 대한 둘 이상의 최적화된 빔 송신의 잔여물을 조합함으로써, 상대적으로 유사하게 위치된 사용자 단말들은 다수의 이산적인 빔 송신을 수신할 수 있고, 이를 무선에서 조합할 수 있으며, 그 결과로서 훨씬 더 강건한(robust) 결과를 달성한다. 다수의 잔여물을 조합함으로써, 유사하게 위치된 사용자 단말들이 변조된 송신을 적절하게 디코딩하기 위해 충분히 높은 SINR 신호들을 수신하는 것을 보장하기 위해, 잔여물 조합은 수신 사용자 단말들로부터 기회가 될 수 있거나 네트워크에 의해 미리 계획될 수 있다.

물론, 통상적으로 자기 또는 고체 상태 디바이스들의 형태로 사용자 단말들에서 고용량 디지털 저장을 또한 레버리징함으로써, 최적화된 브로드캐스트가 사용자 단말들 또는 중간 디바이스들에서 수집될 수 있고, 브로드캐스트로부터의 컨텐츠는 거기에 저장될 수 있으며, 그 다음 컨텐츠가 동일한 사용자 단말들에 있는 사용자들에게 또는 WiFi를 통해 다른 사용자 단말들로 로컬로 서빙될 수 있다. 이는 기본적으로, 비디오가 실시간으로 재생되도록 사용자들에 의해 요청될 때와는 별도로 그리고 미리, 브로드캐스트 기반으로 사용자 디바이스들에 비디오를 배포하기 위해 이용 가능할 때 그리고 이용 가능할 경우 무선 용량의 사용을 가능하게 하며, 이는 결과적으로 그 시간에 혼잡한 무선 네트워크들을 거칠 필요 없이 사용자들에게 로컬로 어드레싱된다.

이제 도 1a를 참조하면, 통신 시스템(10)의 상위 레벨 블록도가 도시되어 있다. 이러한 예에서, 통신 시스템 제공자(12)는 통신 네트워크(14)와 통신하고 통신 네트워크(14)의 동작을 제어하는 시스템이다. 통신 네트워크(14)는 중간 디바이스(16)와 같은 중간 디바이스와 통신한다. 통신 시스템 제공자(12)는 통신 네트워크(14)를 제어하는 데 사용된다. 통신 네트워크(14)는 통신 제공자와 또는 인터넷(18)에 직접 연결될 수 있다. 통신 시스템 제공자(12)는 통신 네트워크(14)를 통해 컨텐츠의 스케줄 및 배치를 제어한다. 통신 시스템 제공자(12)는 아래에서 더 설명될 바와 같이 다양한 소스들로부터 컨텐츠를 수신할 수 있다.

통신 네트워크(14)는 인터넷(18)과 통신한다. 통신 네트워크(14)는 단일의 독립형 네트워크이거나 네트워크들의 조합일 수 있다.

통신 네트워크(14)는 안테나 어레이(44)(또는 안테나들)를 위에 갖는 셀(40), 또는 임의의 다른 무선 송신 디바이스 내에 배치되는 셀 타워(42)를 포함할 수 있다. 안테나 어레이(44)는 셀룰러 안테나, Wi-Fi 안테나, 또는 셀 타워(42)의 임의의 다른 무선 송신 안테나를 나타낼 수 있고, 또한 안테나 어레이(44)를 통한 무선을 포함하여, 통신 시스템 제공자(12)로부터, 안테나 어레이(44)를 통해 중간 디바이스(16)로 무선으로 컨텐츠를 통신할 수 있다.

통신 네트워크(14)는 안테나(48)를 위에 갖는 텔레비전 타워(46)를 또한 포함할 수 있다. TV 타워(46)는 통신 시스템 제공자(12)로부터 중간 디바이스(16)로 컨텐츠를 통신할 수 있다.

모든 통신 시스템 경우들에서, 통신 네트워크(14)는 아래에서 더 설명될 바와 같이 잔여 용량을 사용하여 통신할 수 있다. 잔여 용량은 사용자의 실시간/라이브 음성 및 데이터 요청들 및 그들의 실시간/라이브 음성과 데이터 소비를 서빙하기 위해 사용되지 않고, 중간 디바이스(16)에 컨텐츠를 미리 위치시키는 데 보다 이상적으로 사용되는 다양한 유형들의 자원들을 포함할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 통신 네트워크(14)는 통신 네트워크(14)로부터가 아니라 중간 디바이스(16)로부터 직접 사용자들에 의한 후속 소비를 위해, 비-실시간 기반으로 컨텐츠를 중간 디바이스(16)에 효과적으로 배포할 수 있다. 하나 이상의 네트워크의 잔여 용량은 중간 디바이스(16)에 컨텐츠를 전달할 수 있다. 통신 네트워크(14)는 무선일 수 있다.

통신 네트워크(14)는 최대량의 컨텐츠가 다양한 중간 디바이스들에 제공될 수 있도록 다양한 유형들의 액세스 시스템들을 사용하여, 로컬 영역 네트워크(310)와 통신할 수 있으며, 이는 차례로 중간 디바이스(16)에, 또는 중간 디바이스(16)에 직접 컨텐츠를 통신할 수 있다. 예를 들어, 통신 네트워크(14)는 주파수 분할 다중 액세스, 시분할 다중 액세스, 공간 분할 다중 액세스, 코드 분할 다중 액세스 및 직교 주파수 분할 다중 액세스를 사용할 수 있다. 시스템의 요구 사항들 및 제공되는 시스템들의 유형들에 따라, 상이한 유형들의 액세스 프로토콜들이 사용될 수 있다.

중간 디바이스(16)도 또한 위에 배치되는 안테나(50)를 가질 수 있다. 안테나(50)는 통신 네트워크(14)의 안테나 어레이(44) 및 안테나(48)와 통신할 수 있다. 중간 디바이스를 운반 가능하게 함으로써, 안테나(50)는 높은 수신 위치에 배치될 수 있다. 중간 디바이스(16)는 소형 셀로서 동작할 수 있다.

중간 디바이스(16)는 컨텐츠 저장소(60)를 또한 포함할 수 있다. 컨텐츠 저장소(60)는 고체 상태 컨텐츠 저장소, 하드 디스크 드라이브 또는 양자의 조합을 포함할 수 있다. 컨텐츠 저장소(60)는 수 테라바이트 이상 정도의 상당량의 데이터를 보유하도록 설계될 수 있다. 컨텐츠 저장소(60)는 안테나 어레이(44) 또는 안테나(50) 중 어느 하나를 통해 수신된 미리 위치된 컨텐츠를 저장하기 위해 사용된다. 중간 디바이스(16)는 또한 백홀 네트워크(64)와 통신할 수 있다. 백홀 네트워크(64)는 설명될 때, 무선 시스템으로서 제공되는 통신 네트워크의 일부일 수 있다. 백홀 네트워크(64)는 무선 네트워크일 수도 있다.

시스템(10)은 또한 유선 네트워크(66)를 사용하여 컨텐츠를 미리 위치시키는 데 적합할 수 있다. 즉, 중간 디바이스(16)는 또한 유선 네트워크(66)를 통해 인터넷(18)에 커플링될 수도 있다. 컨텐츠는 아래에서 설명될 바와 같이 유선 네트워크(66)의 잔여 용량을 사용하여 미리 위치될 수 있다. 유선 네트워크들은 DSL 네트워크, 케이블 네트워크, 또는 파이버 네트워크일 수 있다.

통신 네트워크(14)는 또한 차량(70)과 통신할 수도 있다. 차량(70)은 중간 디바이스(16)의 방식과 동일한 방식으로 구성된 중간 디바이스(16')를 포함할 수 있다. 차량(70)은 자동차, 선박, 버스, 기차, 비행기 등을 포함하는 다양한 유형들의 차량들을 포함할 수 있다. 중간 디바이스(16')는 차량의 외부에 위치될 수 있는 하나 이상의 안테나(50')에 커플링된다. 물론, 안테나들(50')은 차량(70) 내에 중간 디바이스(16')에 위치될 수도 있다. 사용자 디바이스(80)는 중간 디바이스(16)와 통신한다. 편의상, 사용자 디바이스(80)와 중간 디바이스(16) 사이에 무선 또는 유선 연결 중 어느 하나를 나타내는 라인이 제시된다. 사용자 디바이스(80)는 중간 디바이스(16)로부터, 보다 구체적으로는 중간 디바이스의 컨텐츠 저장소(60)로부터의 컨텐츠를 요청한다. 경기장, 사무실 빌딩, 호텔 또는 공동 주택과 같은 장소(81)가 셀 타워(42)의 안테나 어레이(44) 및/또는 TV 타워의 안테나(48)와 통신하는 외부 안테나(51)를 갖는 중간 디바이스(16'')를 가질 수 있다.

셀 타워(42)는 LTE 기술 또는 다른 셀룰러 기술을 사용할 수 있다. 특히, 셀 타워(42)는 중간 디바이스(16)와 통신하기 위해 LTE-B 기술을 사용할 수 있다. 통신 네트워크(14)와 인터넷(18) 및/또는 통신 시스템 제공자(12) 사이에는 유선 연결(82)이 배치될 수 있다. 후술될 바와 같이, 중간 디바이스(16)는 셀 타워(42)의 일부일 수 있고, 이에 따라 안테나 어레이(44)는 사용자 디바이스들과 통신하기 위한 Wi-Fi 또는 WiMAX 안테나로서 동작할 수 있다.

통신 네트워크(14)와 인터넷(18) 또는 통신 시스템 제공자(12) 사이의 연결은 또한 잔여 용량을 포함할 수 있다. 이러한 잔여 용량은 궁극적으로 중간 디바이스(16)에 도달하기 위해, 잔여 용량을 사용하는 것을 포함하여, 미리 위치된 컨텐츠의 차례적인 배포를 위해, 미리 위치된 컨텐츠를 통신 네트워크(14) 또는 인터넷(18)에 배포하기 위해, 전술한 잔여 용량과 유사한 방식으로 시스템에 의해 이용될 수 있다.

이제 도 1b를 참조하면, 각각의 셀들(40) 내에 복수의 안테나 어레이들(44)이 도시되어 있다. 안테나 어레이(44)는 삼각형 형상을 가질 수 있다. 그러나, 안테나들의 상이한 형상들 및 구성들이 사용될 수 있다. 복수의 단말들(52)이 도시되어 있다. 단말들(52)은 사용자 단말들 또는 사용자 디바이스들로 지칭될 수 있고, 도 1a에 도시된 중간 디바이스들(16), 사용자 디바이스(80) 및 장소(81)를 포함할 수 있다. 단말들(52)은 고정된 단말들 - 이는 일반적으로 동작 중에 이동하지 않는다는 것을 의미함 - 또는 셀룰러 폰, 모바일 컴퓨터 또는 차량과 같은 이동 단말들일 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 중 적어도 하나는 인접한 셀의 경계에 또는 그 가까이에 배치될 수 있다. 단말(52A)은 아래에서 설명될 바와 같이, 하나보다 많은 안테나 어레이(44)에 의해 서빙될 수 있다.

이제 도 1c를 참조하면, (도 1b에 도시된) 인접한 셀들(40)에서의 한 쌍의 셀 타워(42)가 제시되어 있다. 안테나들(44)은 다수의 안테나 요소들(44A)을 가지며, 이들 각각은 다수의 안테나 요소들(44B)을 갖는다. 안테나 요소들(44B)은 빔을 원하는 방향으로 지향시키도록 제어될 수 있다. 요소들(44B)은 송신 빔 및 수신 빔을 형성하기 위해 사용될 수 있다.

단말(52)의 일 예가 도 1c에 도시되어 있다. 단말(52)은 또한 다수의 안테나 부분들(53)을 가질 수 있다. 안테나 부분들(53)은 복수의 송신 요소들 및 복수의 수신 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 요소에서, 안테나 부분들(53) 중 두 개는 송신 요소들일 수 있는 한편, 다른 두 개의 안테나 부분들(53)은 수신 요소들일 수 있다. 각 셀 타워(42)는 기지국(54)과 연관될 수 있다. 기지국(54)은 안테나 요소들(44A)의 송수신 기능들의 동작을 제어한다. 또한, 프로세싱 유닛(56)도 각 기지국(54)과 연관될 수 있다. 프로세싱 유닛(56)은 셀 타워들(42) 및 이들의 안테나(44)로부터 발생되는 빔의 좌표 제어를 가능하게 하도록 상호 통신할 수 있다. 각 기지국(54) 내에는 하나의 프로세싱 유닛(56)이 배치될 수도 있지만, 중앙에 위치된 프로세싱 유닛(56A)은 다수의 기지국들을 서비스하고 이의 계산들을 수행할 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 통신 시스템 제공자(12)는 컨텐츠 서비스 제공자(90)와 통신하는 것으로 도시되어 있다. 컨텐츠 서비스 제공자(90)는 통신 시스템 제공자(12)에 컨텐츠를 제공하는 데 사용되는 시스템이다. 컨텐츠 서비스 제공자(90) 및 통신 시스템 제공자(12)는 비즈니스 엔티티들일 수 있다. 컨텐츠 서비스 제공자(90)는 통신 시스템 제공자(12)의 잔여 용량을 구매할 수 있다. 컨텐츠 서비스 제공자(90)는 사용자 디바이스(80)의 사용자들이 가입한 서비스 제공자일 수 있다. 그러나, 컨텐츠 서비스 제공자(90)는 이동 전화 서비스 제공자들, 케이블 제공자들 등과 같은 기존의 서비스들을 포함할 수도 있다. 컨텐츠 서비스 제공자(90)는 예를 들어, 통신 시스템 제공자(12)의 잔여 용량을 사용함으로써, 컨텐츠가 배포되도록, 통신 시스템 제공자(12)에 다양한 명령어들을 통신한다. 이들 시스템들 간의 상호 통신의 세부 사항들은 아래에서 더 상세히 설명된다.

컨텐츠 서비스 제공자(90)는 광고 소스(210), 제1 컨텐츠 제공자(212A), 컨텐츠 소유자와 같은 제2 컨텐츠 제공자(212B), 소프트웨어/디바이스/애플리케이션 업데이트 소스(214) 및 스포츠 리플레이 소스(sport replay source)(216)를 포함하는 다양한 소스들로부터 컨텐츠를 수신할 수 있다. 광고 소스(210)는 광고를 컨텐츠 서비스 제공자(90)에 전달할 수 있다. 광고는 비디오, 오디오 및 이와 연관된 메타 데이터를 포함할 수 있다. 광고와 연관된 메타 데이터는 원하는 타겟들 또는 어느 사용자들이 원하는 컨텐츠와 제품 정의를 찾을 것인지를 포함할 수 있다.

또한, 컨텐츠 제공자들(212A 및 212B)도 비디오 및 오디오 컨텐츠뿐만 아니라 컨텐츠에 대한 메타 데이터를 제공할 수 있다. 메타 데이터는 컨텐츠 타이틀, 남자 배우 또는 여자 배우, 및 장르 등과 같은 다양한 카테고리들을 포함하는 다양한 다른 식별 데이터를 포함할 수 있다. 컨텐츠는 컨텐츠 제공자들로부터 요청되거나 컨텐츠 제공자들에 의해 중간 디바이스들에 미리 위치되도록 표시될 수 있다.

소프트웨어/디바이스/애플리케이션 업데이트 소스(214)는 새로운 소프트웨어, 소프트웨어 업데이트들, 디바이스 업데이트들 및 사용자 애플리케이션 업데이트들을 사용자 디바이스를 위해, 컨텐츠 서비스 제공자(90) 및 통신 시스템 제공자(12)를 통해 중간 디바이스(16)에 제공할 수 있다. 업데이트들은 사용자 디바이스에 상주하는 소프트웨어에 대한 증분적 변경들일 수 있는 반면, 새로운 소프트웨어는 현재 사용자 디바이스 또는 중간 디바이스(16) 내에 있지 않은 소프트웨어일 수 있다. 소프트웨어 및 업데이트들은 비-실시간 전달을 위해 디바이스에 의해 요청되거나 또는 디바이스의 아무런 조치 없이 전달되고, 사용자 디바이스, 소프트웨어 또는 이에 상주하는 사용자 애플리케이션들의 아이덴티티(identity)에 기초하여 중간 디바이스에 미리 위치될 수 있다.

스포츠 리플레이 소스(216)는 중간 디바이스(16)로의 분배를 위해 컨텐츠 서비스 제공자(90)에 스포츠 리플레이들을 제공할 수 있다. 스포츠 리플레이 컨텐츠는 게임 또는 경기의 특정한 특별 또는 중요 이벤트들의 짧은 비디오 클립들일 수 있다. 스포츠 리플레이들은 오디오 및 비디오 컨텐츠 양자를 포함하는 클립들일 수 있다. 스포츠 리플레이는 또한 팀, 연루된 플레이어들, 스포츠, 클립 또는 리플레이 디스플레이 타이틀 등을 식별하는 메타 데이터를 포함할 수 있다. 클립 디스플레이 타이틀은 사용자 인터페이스에서 사용자에게 디스플레이될 수 있는 것이다.

상술된 다양한 유형들의 컨텐츠와 함께 포함되는 메타 데이터는 통신 시스템 제공자(12)의 제어 하에서 통신 네트워크의 잔여 용량을 사용하면서 임의의 다른 컨텐츠 배포 우선순위들을 수용하여 컨텐츠가 알맞은 스케줄로 적절한 중간 디바이스 또는 중간 디바이스들에 배포될 수 있게 한다.

중간 디바이스(16)는 컨텐츠 저장소(60) 및 또한 수신기(220)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 수신기(220)는 무선 통신 네트워크(14)로부터 통신 정보들을 수신하기 위해 사용될 수 있다. 송신기(222)는 무선으로 또는 유선에 의해 무선 통신 네트워크(14), 유선 네트워크(64) 및/또는 유선 네트워크(66)로 그리고 이로부터 송신하기 위해 사용될 수 있다.

사용자 디바이스(80)는 중간 디바이스(16)와의 직접 또는 유선 연결(224)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 이에 따라, 중간 디바이스(16)는 동글(dongle) 또는 사용자 디바이스(80)에 직접 연결되는 다른 유형의 디바이스일 수 있다. 유선 연결(224)은 HDMI 또는 USB 연결일 수 있다.

하나보다 많은 중간 디바이스가 시스템에 배치될 수 있다. 중간 디바이스(16)는 또한 제2 중간 디바이스(16')와 통신할 수 있다. 중간 디바이스(16')는 중간 디바이스(16)와 동일한 방식으로 구성될 수 있다. 중간 디바이스(16)는 안테나(50)로부터 중간 디바이스(16')의 안테나(50')로 통신할 수 있다. 중간 디바이스들(16, 16')은 아래에서 더 상세히 설명될 피어 투 피어 네트워크를 형성할 수 있다. 물론, 둘보다 많은 중간 디바이스들이 피어 투 피어 네트워크를 형성할 수도 있다. 피어 투 피어 네트워크는 그 사이에서 다양한 유형들의 컨텐츠를 통신할 수 있다. 즉, 하나의 중간 디바이스가 무선 통신 네트워크(14)로부터 송신된 컨텐츠의 일부분을 누락하는 경우, 중간 디바이스가 누락한 컨텐츠를 포함하는지 여부를 결정하기 위해 또 다른 중간 디바이스에 질의될 수 있다. 이에 따라, 누락 컨텐츠는 안테나들(50 및 50') 사이에서 피어 투 피어 방식으로 통신될 수 있다. 무선 통신 네트워크(14)는 또한 "누락" 방식이 아니라 의도적인 방식으로 다양한 다른 중간 디바이스들과 통신되는 컨텐츠의 다양한 부분들을 배포할 수도 있다. 컨텐츠가 하나의 중간 디바이스의 사용자에 의해 요구되지만 그 중간 디바이스에서 이용 가능하지 않은 경우, 의도적인 요청에 대한 중간 디바이스는 피어 투 피어 네트워크 내의 또 다른 중간 디바이스로부터 컨텐츠를 요청할 수 있다. 또한, 일부 중간 디바이스들(16')은 무선 통신 네트워크(14)로부터 컨텐츠를 수신하는 능력은 갖지 않고, 단지 "의도적" 또는 "누락" 컨텐츠를 수신하기 위해 다른 중간 디바이스들(16 및 16')과 통신할 수 있도록 구성될 수 있다.

중간 디바이스(16')는 사용자 디바이스(80')와 통신할 수 있다.

사용자 디바이스(80')는 안테나(50'')를 통해 중간 디바이스(16')와 통신할 수 있다. 사용자 디바이스(80')는 사용자 디바이스(80')에서 제시된 것과 유사한 방식으로 구성될 수 있지만, 사용자 디바이스(80)에 대해 예시된 바와 같이 유선 연결보다는 무선 디바이스일 수 있다.

이제 도 3을 참조하면, 통신 시스템 제공자(12)는 상술한 바와 같이 통신 네트워크(14)를 통해 로컬 영역 네트워크(310)와 통신할 수 있다. 단순화를 위해 통신 네트워크(14)만이 도시되어 있다. 도 1 및 도 2는 로컬 영역 통신 네트워크(310)를 도시하지 않는다. 로컬 영역 통신 네트워크(310)는 통신 네트워크(14)와 통신하기 위한 인터페이스(312)를 가질 수 있다. 인터페이스(312)는 모뎀일 수 있다.

또한, 로컬 영역 통신 네트워크(310)는 제2 통신 네트워크(14')에 커플링될 수 있다. 제2 네트워크(14')는 사용자 디바이스들(332-344)에 대한 인터넷에 대한 주요 양방향 연결일 수 있다. 제2 네트워크(14')는 다이얼-업(dial-up) 또는 디지털 가입자 회선을 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 제시된 예들에서 설명된 바와 같이, 시스템(10)은 중간 디바이스(16)에 컨텐츠를 미리 위치시키도록 사용될 수 있다. 컨텐츠의 보충은 반드시는 아니지만, 사용자 디바이스들(332 내지 344)에 정규 인터넷 서비스를 제공하기 위한 제2 통신 네트워크(14')가 통신 네트워크(14)의 속도보다 느릴 때 특히 유용하다. 로컬 영역 통신 네트워크(310)는 미리 배치된 컨텐츠가 통신 시스템을 통해 수신되는 것을 제외하고는 인터넷에 양방향 연결되지 않을 수 있다.

로컬 영역 통신 네트워크(310)는 또한 라우터(314)를 포함할 수 있다. 라우터(314)는 로컬 영역 네트워크(310) 내의 사용자 디바이스들과 중간 디바이스들을 연결하기 위해 사용될 수 있다. 로컬 영역 네트워크는 유선 네트워크(316) 및 무선 네트워크(318) 양자를 제공할 수 있다. 다양한 디바이스들은 각 통신 방법을 이용할 수 있다.

로컬 영역 통신 네트워크(310)는 상술한 바와 같이 하나 이상의 중간 디바이스(16)와 통신한다. 로컬 영역 통신 네트워크(310)는 인터페이스(312) 및 라우터(314)와 함께, 또한 중간 디바이스(16)를 포함할 수 있다. 로컬 영역 네트워크(310)는 중간 디바이스(16), 인터페이스(312), 및 라우터(314)와 함께, 또한 사용자 디바이스(332)를 포함할 수 있다. 중간 디바이스(16)는 도 1a 내지 도 1c 및 도 2에 설명된 바와 같이 컨텐츠 저장소(60) 및 안테나(50)를 포함한다. 중간 디바이스(16')는 로컬 영역 네트워크(310)와 통신하고, 컨텐츠 또는 다른 신호들을 로컬 영역 네트워크(310)를 통해 중간 디바이스(16)와 교환할 수 있다. 중간 디바이스(16'')는 또한 사용자 디바이스(330) 내에 위치될 수 있다. 사용자 디바이스(330) 또는 그 내부의 중간 디바이스(16'')는 로컬 영역 통신 네트워크(310)와 통신하기 위한 안테나(50'')를 포함할 수 있다. 중간 디바이스(16'')는 통신 네트워크(14)의 잔여 용량을 이용하여 컨텐츠를 수신할 수 있다. 사용자 디바이스(330)는 비디오 게임 콘솔, 셀룰러 폰, 셋톱 박스 등을 비롯한 다양한 유형들의 디바이스들 중 하나일 수 있다.

사용자 디바이스(330)는 유선 네트워크(316) 또는 무선 네트워크(318) 중 어느 하나를 통해 로컬 영역 네트워크(310)에 커플링될 수 있다.

사용자 디바이스(332)는 유선 네트워크(316)를 통해 로컬 영역 네트워크(310)에 커플링될 수 있다. 사용자 디바이스(334)는 무선 네트워크(318)를 통해 로컬 영역 네트워크(310)에 커플링될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 사용자 디바이스들(332, 334)은 셀룰러 폰 또는 스마트폰, 태블릿, 랩탑, TV 등을 비롯한 다양한 유형들의 사용자 디바이스들일 수 있다.

사물 인터넷(internet of things, IoT) 디바이스(336)는 무선 또는 유선 네트워크들(316, 318)을 통해 로컬 영역 네트워크(310)에 커플링될 수 있다.

IoT 디바이스들(336)은 잔여 용량을 통해 적절하게 전달되는 소프트웨어 및 사용자 애플리케이션 업데이트들을 필요로 할 수 있다.

또한, 텔레비전(338)도 유선 네트워크(316) 또는 무선 네트워크(318)를 통해 로컬 영역 통신 네트워크(310)에 커플링될 수 있다. 텔레비전(338)은 유선 네트워크(316) 또는 무선 네트워크(318)에 직접 커플링하기 위한 스마트 텔레비전일 수 있다. 그러나, 텔레비전(338)은 또한 무선 네트워크(318)와의 통신에 사용되는 동글(340)을 필요로 할 수 있다. 동글(340)은 텔레비전(338)에 그래픽 사용자 인터페이스를 제공하기 위한 사용자 애플리케이션을 내부에 가질 수 있다. 동글(340)은 컨텐츠를 저장하기 위한 컨텐츠 저장소를 또한 포함할 수 있다. 동글(340)은 또한 컨텐츠를 수신하고 저장하기 위한 중간 디바이스로서 동작할 수도 있다.

또한, 스마트폰(342)도 로컬 영역 통신 네트워크(310)에 액세스될 수 있도록 유선 네트워크(316) 및 무선 네트워크(318)와 통신할 수 있다.

또한, 기계(344)도 유선 네트워크(316) 또는 무선 네트워크(318)를 통해 로컬 영역 네트워크(310)와 통신할 수 있다.

모든 사용자 디바이스들(330-344)은 블루투스 및 와이파이를 비롯한 많은 상이한 유형들의 표준들을 사용하여 무선 네트워크(318)와 통신할 수 있다. 사용자 디바이스들(330-344) 각각은 로컬 영역 네트워크(310)를 통해 중간 디바이스들(16, 16' 및 16'') 중 적어도 하나로부터 컨텐츠를 수신할 수 있다. 컨텐츠를 검색하고 이를 사용자 디바이스들(330-344)에 서빙하기 위한 사용자 애플리케이션이 디바이스들(330-344), 중간 디바이스(16), 로컬 영역 네트워크(310), 라우터(314) 또는 인터페이스(312)에 있을 수 있다.

컨텐츠의 유형들은 오디오 컨텐츠, 비디오 컨텐츠, 운영 체제 업데이트들, 다른 소프트웨어 업데이트들, 사용자 애플리케이션들, 날씨 정보, "최상의 웹" 컨텐츠 및 다양한 자료들의 e-전달을 포함할 수 있다. 사용자 디바이스들(330-344)의 사용자들은 각각 중간 디바이스(16)의 컨텐츠 저장소(60)로부터 다양한 유형들의 컨텐츠를 획득할 수 있다. 컨텐츠는 컨텐츠 저장소(60)로부터 따로 또는 동시에 획득될 수 있다. 아래에서 설명될 바와 같이, 사용자 디바이스들(330-344)은 로컬 영역 네트워크(310)를 통해 그리고 궁극적으로 다시 도 1 및 도 2에 도시된 컨텐츠 서비스 제공자(90)의 통신 시스템 제공자(12)로 통신되는 인벤토리 리스트 또는 원하는 컨텐츠의 리스트를 제공할 수 있다. 역통신은 통신 네트워크(14 또는 14') 중 어느 하나로 수행될 수 있다.

이제 도 4를 참조하면, 위에서 제시된 프로세싱 유닛(56)이 더 상세히 도시되어 있다. 가중치들이 계산되는 방법에 대한 구체적인 내용은 후술된다. 프로세싱 유닛(56)은 셀 타워 및 이와 연관된 안테나 어레이(44)의 범위 내의 디바이스들에 통신되는 사운딩 신호를 생성하기 위해 사용되는 사운딩 회로(410)를 포함한다. 응답 신호는 안테나의 수신 요소들로부터 수신된다. 궁극적으로, 피드백은 최적화 로직 회로(412)에 통신된다. 단말들로부터 기지국으로의 응답 신호들은 유니캐스트 모드 통신 및 브로드캐스트 모드 통신을 선택하는 데 이용될 수 있다. 피드백 메커니즘은 수신 안테나 요소들(44A)이 각 송신 안테나에 관하여 자신들의 정확한 RF 채널 상태(신호 성능)에 관한 응답 신호들을 단말들 또는 디바이스들로부터 수신하게 함으로써 기본적으로 "채널을 사운딩한다(sound the channel)". 대규모 MIMO의 경우에, 하나의 안테나 시스템 내에는 서로에 대해 일정 레벨의 직교성을 조성하도록 각각 지향, 위상화, 및 편파되는 많은 안테나 요소들이 사용되며, 이 경우에 이들의 신호 성능은 각 안테나 요소 송신에 대한 수신 디바이스에서 검출되고, 각 송신 흐름에 대해 "채널이 사운딩될 수 있다".

채널 사운딩 피드백 응답 신호는 채널 상태 정보 또는 데이터, 즉 각 수신기 안테나 요소(44A)에 의해 보여지는 바와 같은, 각 송신기 안테나 요소로부터 수신되는 신호 강도(진폭) 및 위상 정보를 포함한다. 기본적으로 이것은 각 송신기 안테나 요소와 각 수신기 안테나 요소 사이의 채널 상태를 특징짓는 매트릭스이다.

이러한 피드백을 다시 프로세싱 유닛(56A)에 보냄으로써, 프로세스 유닛(56)은 상기한 각 안테나 요소에 대한 송신 흐름들 각각에 대한 모든 피드백을 수집할 때, 각 수신 디바이스에 대한 안테나 요소들의 수집을 사용하여 최적화된 송신 흐름을 생성하기 위해, 각 안테나 요소에 대한 개선된 신호 증폭 및 신호 널 스티어링을 식별한다. 이 경우, 송신 안테나 요소들 각각에 관한 그것들 각각의 RF 채널 상태들이 주어지면, 브로드캐스트 빔은 많은 브로드캐스트 수신 디바이스들, 및 차례로 이들의 많은 안테나 요소들에 최적으로 도달하도록 송신기의 많은 안테나 요소들을 사용하여 송신을 최적화할 수 있다.

브로드캐스트 빔은, 식별된 컨텐츠를 수신할 필요가 있는 디바이스들 또는 단말들의 그룹 내의 디바이스들의 식별된 클럼프(clump) 또는 서브 그룹을 향한 송신을 최적화하도록 각각 성형되는 다수의 서브 빔들 또는 로브들(lobes)로 구성될 수 있다. 클럼프 또는 서브 그룹은 지리적으로 서로의 미리 결정된 거리 내에 위치된다. 시스템은 안테나 요소들의 세트(44A)를 사용하고, 이것들에 적절한 가중치를 적용하여, 이들의 송신을 디바이스들의 해당 클럼프를 향하게 성형한다. 안테나 요소들의 또 다른 유사한 서브 세트는 또 다른 빔을 생성하고 셀에서의 다른 곳의 디바이스들의 또 다른 세트를 향해 지향시키도록 최적화될 수 있다. 이러한 프로세스는 이용 가능한 채널 용량을 소모할 때까지, 여러 번 수행될 수 있다.

피드백 시스템은 상이한 공간 경로들에 부여된 가중치들을 조정/튜닝함으로써, 네트워크가 브로드캐스트 빔의 형상을 계속해서 정제할 수 있게 한다. 이는 특히 모바일 디바이스들에 중요하다. 빔은 기저가 되는 디바이스들이 이동함에 따라, 임의의 주어진 지점에서 디바이스들의 임계 질량이 있는 곳을 식별하고, 계속해서 사운딩 메커니즘들을 사용하여 필요한 곳에 에너지를 최적으로 전달하도록 계속해서 재성형되고 최적화될 수 있다. 보다 고정적인 디바이스들에 대해, 피드백 시스템은 빔을 디바이스들의 클럼프를 향해 성형하는 안정적인 가중치들의 세트에 도달한다는 점에서, 수렴으로 이어진다. 고정형 시스템에서, 고정적인 디바이스들이 추가될 때, 빔 패턴은 새롭게 추가된 디바이스로부터의 피드백에 기초하여 조정된다. 채널 상태에 더하여, 피드백 시스템은 수신 품질, 예를 들어, 오차율들, 수신 스루풋들에 대한 개별 디바이스들로부터의 정보를 또한 포함할 수 있다. 네트워크는 (a) 브로드캐스트 그룹을 형성하는 후보 디바이스들에 대한 자신의 선택을 정제하고; (b) 보다 양호한 결과들을 위해 빔의 성형을 정제하기 위한 알고리즘에 이러한 입력들을 고려할 수 있다. 또한, 네트워크는 가능한 최대 커버리지를 달성하면서 얼마나 많은 빔들/로브들이 가장 높은 스루풋으로 후보 디바이스들을 서빙하는 데 최적인지를 결정하기 위해 알고리즘에 이러한 입력들을 고려할 수 있으며, 이들 중 일부는 아래에서 추가로 정의된다. 이는 결과들을 최적화하기 위해 파라미터들을 계속해서 조정하는 "브레딩(breathing)" 시스템이 된다.

또한, 프로세싱 유닛(56)은 특정 기준들에 대해 최적화하기 위해 브로드캐스트 빔을 서빙하는 데 얼마나 많은 사용자들이 최적인지를 결정한다. 예를 들어, 하나의 기준은 얼마나 많은 사용자들이 서빙되는지에 관계없이 주어진 커버리지 영역에서 총 스루풋을 최적화하는 것일 수 있다. 예를 들어, 대안적인 레이트의 2배인 보다 높은(보다 최적화된), 그러나 송신 안테나에 의해 커버되는 총 사용자들의 단지 20%에만 도달하는 변조 및 코딩 레이트(modulation and coding rate, MCS)의 브로드캐스트는 대안적인(보다 낮은) MCS의 송신보다 열등할 수 있지만, 송신 안테나에 의해 커버되는 사용자들의 80%에 도달하는데, 이는 그것이 대안적인 브로드캐스트 빔 접근법에 비해 2x 단점을 생성하기 때문이다. 인자들은 커버리지 및 스루풋의 균형을 맞추고 이에 의해 사용자들/사용자 디바이스들을 포함하거나 능가하기 위해 시스템 운영자들에 의해 사용될 설계 기준들이다.

또한, 브로드캐스트 빔들을 레버리징함으로써 지리 공간적 재사용이 달성될 수 있다. 대안적인 시나리오는 브로드캐스트 빔에 의해 사용자들의 단지 1/5이 서빙될 수 있더라도, 동일한 커버리지 영역에서 둘보다 많은 브로드캐스트 빔들(또는 동일한 제1 브로드캐스트 빔에 대한 로브들)을 생성하여, 각각 대안적인 레이트의 2배의 사용자들을 서빙하는 것이 가능한 시나리오이다. 커버되는 사용자들의 80%를 서빙하기 위해 더 이상의 빔을 생성하는 것이 가능하지 않은 대안적인 레이트와 비교하여, 이는 실제로, 각각 그렇지 않다면 대안적인 레이트 송신에 의해 커버될 사용자들의 1/4만을 커버하더라도, 각각 대안적인 레이트의 2배로 송신하는 세 개의 빔들을 통해 50% 더 많은, 즉, 대안적인 방식의 용량의 2 x 3 x ĳ= 1.5배인 스루풋이 달성될 수 있게 할 것이다. 본 예들은 디바이스 집단의 보다 작은 부분들을 커버하지만, 디바이스들의 이들 세트들에 보다 높은 데이터 레이트를 제공할 수 있는 다수의 좁게 포커싱된 빔들을 구축한다. 여기서 본 방법은 양호한 무선 상태들에 있는 디바이스들의 세트를 식별하는 단계 및 무선 상태들에 기초하여 다른 디바이스들을 배제하는 단계를 수반하여, 이들의 링크(신호 강도/SINR)를 향상시키는 빔을 이들에게 포커싱하고, 이들이 더 높은 변조 및 코딩 레이트로 효과적으로 복조할 수 있게 한다. 무선 상태들은 디바이스 위치, 사운딩 신호의 신호 강도 및 사운딩 신호의 위상 정보, 변조 및 코딩 방식 및 인접한 빔들과의 오버랩에 대한 데이터이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

또 다른 기준은 단순히 주어진 영역에서 커버리지를 최적화하는 것, 즉 브로드캐스트 빔에 의해 커버될 수 있는 디바이스들의 수를 최대화하는 것일 수 있다. 제3 접근법은 용량 및 커버리지를 전체론적(holistic) (가중 방식)으로 고려하는 가중 방식을 사용하는 것일 수 있다.

또한, 시스템은 각 경우에 송신 디바이스의 각 안테나 요소와 관련하여 각 수신 디바이스에 관한 채널 상태/경로 정보가 주어지면 모든 커버리지 영역에 걸쳐 개선된 스루풋을 달성하기 위해, 허용되는 대로 또는 순차적으로 조합하여, 시스템이 브로드캐스트 대 유니캐스트 접근법들의 사용에 대한 결정들을 행할 수 있게 하기 위해 피드백을 사용할 수 있다. 시스템은 "문제가 있는(challenged)" 단말들(즉, 무선 상태들에 문제가 있고 브로드캐스트에 의해 최상으로 서빙되지 않아, 브로드캐스트의 그리고 다른 보다 우위에 있는 사용자들 각각에 대한 스루풋 레이트를 끌어내릴 수 있는 단말들)을 식별하고, 최적화된 귀중한 변조 레이트를 그러한 "문제가 있는 사용자들에 이르게" 낭비하지 않고, 대신 보다 양호하게 위치된 사용자들을 브로드캐스트를 사용하여 서빙하며, 보다 장애가 있는 사용자들은 유니캐스트를 사용하여 서빙하는 것을 목표로 한다. 예를 들어, 시스템은 또한 피드백을 사용하여, 80%의 사용자들을 서빙하기 위한 하나 이상의 브로드캐스트 빔을 생성하고, 다른 20%의 사용자들에게는 유니캐스트 대규모 MIMO 빔들을 병렬적으로 사용하여 서빙하도록 선택하여, 커버리지 영역 프로세스량을 더 최적화할 수 있다.

또한, 이러한 브로드캐스트 모드 대 유니캐스트 모드의 비율도 용량(시스템 스루풋) 또는 커버리지를 최적화하도록 관리될 수 있다. 이러한 결정은 브로드캐스트/유니캐스트 "컷오프", 즉, 그 아래로는 디바이스의 링크가 브로드캐스트 그룹에 포함될 디바이스에 대해 너무 약한 것으로 간주되는 커버리지 임계치(예를 들어, 신호 강도, SINR)를 결정할 것이다. 본질적으로, 이는 선형 최적화 문제 - 그룹에 대한 송신에 적용될 수 있는 변조 및 코딩 방식(MCS)(MCS는 차례로 데이터 레이트에 직접적으로 영향을 미친다)에 대하여 그룹에 포함되는 디바이스들의 수의 혼합을 최적화하는 것 - 가 된다. 여기서 결정은, 훨씬 더 양호한 무선 상태를 가지는(스루풋을 보다 높일 수 있게 되는) 디바이스들의 보다 작은 브로드캐스트 그룹을 선택하고 다른 디바이스들은 유니캐스트에 위임할지 여부, 또는 대조적으로, 보다 낮은 SNR/신호 강도 컷오프를 가져, 보다 낮은 스루풋을 수신할 수 있게 되는 보다 큰 브로드캐스트 그룹을 선택할지 여부를 중심으로 삼을 것이다. 선형 최적화는 최고 스루풋 및 스펙트럼 효율을 낸 알맞은 혼합에 도달하려고 시도할 것이다. 기본적으로 다음과 같이 결정한다:

a. (보다 높은 MCS, 보다 높은 스루풋을 수신하는) 고충실도 (high-fidelity) 상태들에서 디바이스들의 보다 작은 브로드캐스트 그룹을 생성하는 것이 시스템 스루풋을 최대화하는지 여부. 더 높은 MCS 사용은 더 높은 스펙트럼 효율성으로 해석된다. 그리고, 동일한 송신으로 얼마나 많은 사용자들이 서빙될 수 있는지를 통해 디바이스들의 보다 큰 서빙되지 않은 그룹을 브로드캐스트의 이점 없이 대규모 MIMO 유니캐스트를 사용하여 서빙되게 남겨두지만, 브로드캐스트 스루풋이 얼마나 높은지, 및 대규모 MIMO가 상대적으로 더 높은 처리량으로 문제가 있는 사용자들을 서빙하는 데 얼마나 효율적인지의 이점을 얻는다.

b. 일부가 약간 더 약한 무선 상태들(즉, 보다 낮은 컷오프를 가짐)에 있는 디바이스들의 보다 큰 브로드캐스트 그룹이 보다 높은 스루풋을 내는지 여부. 브로드캐스트는 동일한 무선 자원들의 세트가 많은 수의 사용자들을 서빙하기 위해 사용되고 있기 때문에, 보다 높은 전체 스펙트럼 효율을 전달한다는 것을 유의한다. 여기서, 사용자당 더 높은 스루풋은 더 많은 사용자들을 서빙하고 브로드캐스트에 대해 잠재적으로 더 높은 스루풋을 달성하기 위해 희생될 것이다. 그러나, 그 결과 브로드캐스트에 의한 총 스루풋이 더 작은 브로드캐스트 커버리지 영역에서보다 낮지만, 브로드캐스트에 의해 서빙되지 않는 사용자들을 보다 효과적으로 서빙할 수 있게 유니캐스트가 허용되더라도, 남아 있는 사용자들이 더 적기 때문에, 여전히 주어진 총 무선 커버리지 영역에 걸쳐 더 높은 전체 스루풋으로 이어질 수 있다. 이로 인해, 브로드캐스트/유니캐스트 분할이 클수록 스펙트럼 효율성이 증가한다.

무선 시스템 내에서, 무선 자원 관리(radio resource management, RRM) 및 스케줄링은 귀중한 무선 자원들의 사용을 조정하는 핵심 구성요소들이다. 예를 들어, 2G, 3G, 4G 또는 5G 시스템들에서, 이들 구성요소들은 유니캐스트 및 브로드캐스트 서비스들 양자에 대해, 스케줄링된 시간 슬롯들에서, 무선 자원 블록들을 디바이스들에 할당한다. 이러한 무선 자원 할당은 디바이스들에 송신 및 수신 기회들, 즉 데이터를 송신 및 수신하기 위한 시간 프레임들 및 무선 대역폭을 제공한다. 브로드캐스트 빔 형성 구성요소는 무선 자원 관리 및 스케줄링 구성요소들과 상호 작용할 필요가 있다. 브로드캐스트 그룹에 대한 디바이스 선택/컬링과 관련하여, 브로드캐스트 빔 형성의 일부로서 이루어지는 결정들은 무선 자원 블록들의 MCS 선택 및 할당에 밀접하게 연관된다. 예를 들어, 커버리지를 최적화하기 위해, 브로드캐스트 빔은 충분히 낮은 임계치 이상의 신호 강도를 나타내는 디바이스들을 브로드캐스트 그룹에 포함시킬 수 있다. 이러한 신호 강도/SNR 컷오프는 브로드캐스트에 사용될 보다 낮은 MCS 레벨에 맵핑된다. 보다 낮은 MCS 레벨이 선택되면 차례로, 브로드캐스트에 더 많은 수 및 주파수의 무선 자원 블록들이 할당되어야 할 수 있다(보드에 걸쳐 보다 높은 MCS 레벨(심볼당 더 적은 비트들)을 사용하는 것은 주어진 데이터 레이트를 달성하기 위해 보다 많은 무선 블록들이 할당되어야 함을 의미한다).

한편, 그 결정이 용량을 최적화하는 것인 경우, 시스템은 더 높은 신호 강도/SNR 컷오프를 채용하여, 더 높은 무선 충실도를 갖는 디바이스들의 더 작은 세트를 브로드캐스트 그룹에 포함시킬 수 있다. 이는 차례로, 브로드캐스트를 위한 더 높은 MCS 레벨의 사용에 맵핑되며, 이는 주어진 데이터 레이트를 달성하기 위해 더 적은 수의 무선 자원 블록들이 사용되게 할 수 있다. 이 경우, 주어진 브로드캐스트 빔이 달성할 수 있는 스루풋 대 커버리지에 있어서의, 그리고 전체 브로드캐스트 및 유니캐스트 구성 시스템에 의한 트레이드오프뿐 아니라, 그것의 고려된 트레이드오프를 달성하기 위해 브로드캐스트 빔에 할당되는 무선 자원들의 양이 명백하다. 이 경우, 다수의 브로드캐스트 빔들은, 브로드캐스트에 의한 총 스루풋 대 커버리지 영역을 최적화하기 위해, 상이한 스루풋(MCS) 레이트로 상이한 비율의 커버리지 집단을 각각 커버하는 브로드캐스트 빔들의 언더레이(underlay) 및 오버레이(overlay)를 생성하기 위해 축소될 수 있다. 물론, 이는 유니캐스트 서비스 이용 가능성을 고려하여 주어진 영역에서 전체 스루풋 대 커버리지 요구 사항들을 해결함으로써 더 최적화될 수 있다.

이용 가능한 무선 자원들의 양에 의해 유사한 시나리오가 만들어질 수 있다. 무선 네트워크에 이용 가능한 무선 자원 블록 수가 제한된 경우, 필요한 브로드캐스트 데이터 레이트를 달성하기에 충분히 높은 MCS(심볼당 비트 수)를 사용해야 할 수 있다. 이는 차례로, 더 높은 신호 강도/SNR 컷오프의 사용을 촉발할 것이고, 이로 인해, 더 작은 세트의 디바이스들이 브로드캐스트 그룹에 포함될 것이다.

이러한 방식으로, 관련된 주요 시스템 파라미터들 - 브로드캐스트 그룹에 포함될 디바이스 수(이에 따라, 컬링될 디바이스 수 및 선택), 신호 강도/SNR 컷오프, MCS 선택 및 무선 자원 할당/스케줄링은 모두 서로 밀접하게 연관되어 있다. 이러한 결정들은 스케줄러(432)에 의해 조정되어야 한다. 따라서, 기술의 이러한 부분들이 여기서 설명된 빔 형성 시스템을 지원하기 위해 진화되어야 한다.

4G 시스템들에 정의된 바와 같은 브로드캐스트 기능은 멀티미디어 브로드캐스트 단일 주파수 네트워크(Multimedia Broadcast Single Frequency Network, MBSFN) 개념을 포함한다. MBSFN은 동일한 무선 채널을 사용하여 다수의 시간 동기화된 셀들에서 동일한 브로드캐스트 스트림들을 동시에 송신하는 것을 지칭한다. 동기화된 멀티 셀 송신들은 특히 멀티 셀들로부터의 송신들을 청취할 수 있는 셀 에지 디바이스들에 대해, 보다 높은 신호 잡음비(SNR)를 달성하기 위해 디바이스에 의해 수신되고 조합된다. 이에 따라, MBSFN은 브로드캐스트를 멀티 셀 송신 패러다임으로 확장하여, 보다 많은 수의 디바이스들이 양호한 품질의 브로드캐스트를 수신할 수 있게 한다.

브로드캐스트 빔 형성과 MBSFN은 조합되어, 어느 하나의 기술을 따로 이용할 수 있는 것보다 더 양호한 무선 상태들을 충분히 서빙되지 않고 있는 디바이스들에 제공할 수 있다. 브로드캐스트 빔 형성은 빔을 형성하는 셀에 있는 디바이스들뿐만 아니라, 인접한 셀들에 있는 셀 에지 디바이스들도 고려할 수 있다. 빔은 인접한 셀들에 있는 디바이스들 중 일부를 포함하도록 성형될 수 있다. 해당 셀에 의해 발산되는 브로드캐스트 빔에 포함되지 않은 셀에 있는 디바이스들이 인접한 셀에 의해 성형되는 빔의 이점을 얻을 수 있다. 이는 이제 높은 MCS 브로드캐스트에 안전하게 포함될 수 있는 약한 디바이스들의 무선 상태들을 개선할 수 있다(즉, 디바이스들의 홈 셀로부터의 커버리지가 신호를 신뢰성 있게 복조하는 데 필요한 것보다 낮더라도 높은 MCS에서 송신되는 신호들을 신뢰성 있게 복조할 수 있다). 그렇지 않다면 높은 MCS 브로드캐스트로부터 컬링되어야 할 수 있는 디바이스가 이제 포함될 수 있는데, 이는 디바이스가 다수의 인접한 셀들로부터의 신호들을 조합하고/하거나, 인접한 셀로부터의 빔을 레버리징하여, 신호를 신뢰성 있게 디코딩할 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로, 시스템 용량을 희생하지 않으면서, 보다 많은 수의 디바이스들이 브로드캐스트에 포함될 수 있다(보다 큰 커버리지).

브로드캐스트 빔 형성은 보다 많은 수의 기지국 안테나 요소를 사용하는 이점이 있다. 보다 많은 수의 안테나는 보다 많은 수의 공간 경로가 활용될 수 있게 하고, 빔포머(434)의 전체 성능을 개선한다. 보다 많은 경로가 이용 가능하게 될 때, 최상의 경로들을 증폭하고 최악의 경로들을 무효화하는 데 이용하기 위해 증가된 신호 다양성으로부터, 각 송신기와 수신기/수신기 클럼프 사이의 이득이 개선된다. 빔 포커스를 개선하여, 각 수신기에서 신호 강도와 SNR을 개선할 수 있는 기회가 있다. 디바이스 안테나들의 증가된 수는 또한 SINR이 안테나 수에 따라 선형적으로 증가하게 하는 프로세싱 이득을 제공한다. 이로 인해, 용량이 대수적으로 증가한다. 요약하면, 기지국 및/또는 디바이스 안테나 수가 많을수록 빔 형성 성능이 개선되고 각 수신기에서 더 높은 처리량이 달성되고, 더 많은 디바이스 클럼프들과 더 많은 수의 디바이스 클럼프들이 빔과 그 로브에 의해 서빙될 수 있게 하여 주어진 스루풋 레이트에서 디바이스 집단 서비스들을 증가시키며, 전반적으로 더 높은 영역 스루풋 및/또는 집단 커버리지로 이어진다.

도 4에서, 프로세싱 유닛(56)은 브로드캐스트 개시 엔티티(420)에 커플링될 수 있다. 브로드캐스트 개시 엔티티(420)는 브로드캐스트 세션을 시작하기 위해 사용된다. 브로드캐스트 세션은 위에서 제시된 바와 같이 스케줄링된 정규 통신 자원들 또는 랜덤 자원들을 사용할 수 있다. 본 예는 LTE 4G, 5G, 3G, 와이파이 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 다양한 무선 기술들에 대해 제공된다. LTE/4G 시스템에서, 브로드캐스트 개시 엔티티는 모바일 관리 엔티티(mobile management entity, MME) 또는 멀티 셀, 멀티 캐스트 조정 엔티티(multi-cell, multi-cast coordination entity, MCE)일 수 있다. 프로세싱 유닛은 브로드캐스트 시작을 위한 시작 또는 개시 신호를 수신한다. 또한, 비지니스 로직 엔티티(422)가 신호들의 통신을 위한 로직 및 정책 요구 사항들을 프로세싱 유닛(56)에 제공한다. 비지니스 로직 엔티티(422)는 브로드캐스트와 연관된 로직 또는 정책을 결정하는 데 사용될 수 있다. 로직은 얼마나 많은 그리고 어느 디바이스들이 브로드캐스트 그룹에 포함되어야 하는지 그리고 용량 최대화가 요구되는지 또는 더 높은 스루풋이 요구되는지를 결정할 수 있다. 개별 프로세싱 유닛들에 대해, 브로드캐스트 개시 엔티티(420) 및 비지니스 로직 엔티티(422)로부터의 신호는 새로운 컨텐츠를 사용자 디바이스들 또는 단말들에 통신하기 위한 용량을 결정하는 채널 용량 회로에 의해 사용된다. 채널 용량 회로(430)는 잔여 용량의 사용도 고려할 수 있다.

궁극적으로 최적화 로직 회로(412)가 비즈니스 로직 및 정책 요구 사항들에 기초하여 브로드캐스트 그룹에 얼마나 많은 디바이스들 및 어느 디바이스들을 포함시키지를 결정한다. 커버리지 최대화가 요구되는 목표일 때, 프로세싱 유닛(56)의 최적화 로직 회로(412)는 영역 내에 디바이스들 또는 단말들의 대부분 또는 전부를 포함시킬 수 있다. 최적화 로직 회로(412)는 디바이스들을 유니캐스트 전달을 위한 것으로 용도 변경시키기 위해 브로드캐스트 그룹으로부터 제거할 수 있다. 궁극적으로, 브로드캐스트에 적용될 디바이스 수, 평균 신호 강도 및 MCS가 스케줄러(432)에 제공된다. 스케줄러(432)는 자원 블록들과 같은 무선 자원들을 브로드캐스트 빔에 할당하고, 빔포머(434)로부터의 입력에 기초하여 브로드캐스트 및 유니캐스트를 스케줄링한다. 빔포머(434)는 브로드캐스트 내의 디바이스 그룹을 통합 또는 포괄하도록 브로드캐스트 빔들 및 이와 연관된 사이드 로브들의 가중치들을 조정하는 빔 셰이퍼(436) 및 로브 셰이퍼(438)를 갖는다. 빔포머(434)는 또한 브로드캐스트될 디바이스들의 다양한 클럼프들 또는 서브 그룹들을 수용하기 위해 브로드캐스트 빔의 형상을 수정하는 데에도 사용된다. 로브 셰이퍼(438)는 디바이스들 또는 단말들의 클럼프들의 일부를 수용하도록 사이드 로브들을 성형하는 데 사용된다. 궁극적으로, 가중치들은 브로드캐스트 빔이 요구되는 방향들로 지향되도록 송신 안테나 어레이(44)의 요소들을 조정하도록 사용된다.

이제 도 5를 참조하면, 시스템은 다수의 사용자 디바이스들/단말들에 제공될 컨텐츠를 식별한다. 단계(510)에서, 다수의 사용자들에 대한 공통 컨텐츠가 식별될 때, 브로드캐스트 자원들의 사용이 타당하다. 단계(512)에서, 시스템의 잔여 용량이 식별될 수 있다. 잔여 용량이 시스템에 사용되는 것이 바람직할 수 있지만, 단계(512)에서의 잔여 용량의 사용은 선택적이다. 상술한 바와 같은 잔여 용량(512)은 브로드캐스트될 것으로 식별된 컨텐츠가 스케줄링될 수 있도록 프로세싱 유닛에 통신될 수 있다. 단계(514)에서, 브로드캐스트 세션이 시작된다. 상술한 바와 같이, 브로드캐스트 세션은 프로세싱 유닛(56)이 외부 시스템으로부터 브로드캐스트 세션의 시작에 대응하는 신호를 수신하는 것에 의해 시작될 수 있다. 브로드캐스트 개시 엔티티(420), 이를테면 모바일 관리 엔티티 또는 멀티캐스트 조정 엔티티가 이러한 신호를 제공할 수 있다.

단계(516)에서, 최적화 정책이 확립되고 프로세싱 유닛(56)에 통신된다. 최적화 정책은 예를 들어, 용량 최적화가 요구되는지 또는 커버리지 최적화가 요구되는지를 결정할 수 있다. 이 단계는 다양한 시스템들에 대한 설계 고려 사항이다. 최적화 정책은 브로드캐스트가 고려되고 있는 시구간에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 피크 시간은 상이한 요일 또는 일시와 같은 다른 시간과 상이한 최적화 정책을 가질 수 있다. 또한, 주말 또는 휴일도 최적화 정책의 선택에 고려될 수 있다. 단계(516)에서 용량이 최대화되어야 하는 경우, 브로드캐스트를 수신하기 위한 그룹은 고품질 변조 및 코딩 레이트(MCS)로 형성된다. 다시 단계(516)를 참조하면, 커버리지를 최대화하는 것이 요구될 때, 단계(520)는 품질에 관계없이 컨텐츠를 수신할 디바이스들의 그룹을 최대화한다. 그룹의 최대화는 일부 사용자들이 컨텐츠를 재요청할 수 있다는 단점을 인식한다. 단계(518) 또는 단계(520) 중 어느 한 단계에서 브로드캐스트 디바이스들의 그룹이 결정되면, 단계(522)는 유니캐스트 통신을 위한 디바이스들을 결정한다. 즉, 컨텐츠를 요구하는 디바이스들 모두가 그룹 내에 포함되는 것이 아닐 수 있다. 그룹 내에 있지 않은 일부 디바이스들은 셀 타워에 의해 생성되는 유니캐스트 신호로 통신될 수 있다. 단계(524)에서, 스케줄은 브로드캐스트에 대한 MCS 레벨을 확립한다. 단계(526)에서, 무선 자원들은 단계(526)에서 스케줄러에 의해 할당된다. 단계(528)에서, 디바이스들의 그룹 내의 디바이스들의 클럼프들이 결정되어, 클럼프들에서의 디바이스들과의 통신을 최적화하도록 가중치들이 조정될 수 있다. 프라이머리 빔 및 사이드 로드들 양자는 단말들 및 사용자 디바이스들과 통신하기 위해 가중치들로 조정될 수 있다.

도 6을 참조하면, 다양한 시간 간격에서의 시스템의 동작이 도시되어 있다. 단계(610)에서, 사운딩 요청 신호가 안테나 어레이의 요소들을 사용하여 셀과 연관된 디바이스들에 전달된다. 셀 내의 모든 안테나들은 셀의 범위 내의 다양한 디바이스들 및 단말들로부터 요청된 데이터를 획득하기 위해 사운딩 신호를 통신할 수 있다. 이러한 사운딩 신호는 또한 셀의 에지 상의 디바이스들로부터 획득될 수도 있다. 빔포머(434)는 궁극적으로 셀 내의 디바이스들의 위치들, 경로들, 및 클럼프들을 식별하기 위해 사용되는 사운딩 요청을 발송한다. 물론, 제공되는 데이터는 LTE, 와이파이 또는 5G와 같은 무선 시스템들의 유형에 따라 상이할 수 있다. 단계(612)에서, 디바이스들로부터의 응답 신호가 셀 타워의 프로세싱 회로에서 수신된다. 피드백은 채널 데이터를 포함할 수 있고, 복합 채널 이득들, 송신 빔포머(434) 가중치들 또는 애퍼처 추정치들 등과 같은 데이터를 포함할 수 있다. 단계(614)에서, 각 단말에 대한 채널 상태가 결정된다. 채널 상태는 각 디바이스에 대한 신호 강도, 위상 데이터, 수신 품질, 오차율 및 스루풋을 사용할 수 있다. 단계(616)에서, 디바이스는 단계(614)로부터의 하나 이상의 데이터에 따라 그룹화된다. 단계(618)에서, 서브 빔들 및 사이드 로브들을 형성하기 위한 안테나 요소들에 대한 가중치들이 수행될 수 있다. 가중치들은 브로드캐스트 그룹 내의 그룹들의 상이한 클럼프들뿐만 아니라 상이한 브로드캐스트 그룹들에 대해서도 결정될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 사이드 로브들은 또한 브로드캐스트 그룹 내에 통합될 수 있으며, 이에 의해 프라이머리 빔들 및 사이드 로브들과 같은 서브 빔들도 또한 컨텐츠를 최적으로 통신하기 위해 생성될 수 있다. 단계(620)에서, 제2 브로드캐스트 빔이 요구되는 경우 제1 그룹에 대해 브로드캐스트 빔이 생성된다. 단계(622)에서, 유니캐스트를 위한 가중치들이 또한 제1 그룹 또는 제2 그룹 내에 있지 않은 사용자들에 대해 생성될 수 있다. 단계(624)에서, 유니캐스트 빔들은 제1 그룹에 있지 않은 디바이스들에 전달된다. 단계(626)에서, 프로세스는 계속해서 수행될 수 있다. 즉, 특히 모바일 디바이스들이 사용되는 시스템들에서 상이한 사용자 디바이스들 또는 단말들로부터의 사운딩이 계속해서 수행될 수 있다. 하나의 피드백 요소는 디바이스의 속도일 수 있고, 이에 따라, 디바이스의 이동에 대한 예측 그리고 이에 따른 안테나 및 이에 따른 빔의 출력의 형상의 수정이 수행될 수 있다. 이는 특히 고속도로에서와같이 고속으로 이동하는 디바이스들에 중요하다. 최종 위치는 빠르게 변할 수 있고, 이에 따라 빔이 다음 통신의 이동을 수용하도록 조정될 수 있다.

이제 도 7을 참조하면, 셀의 에지에 있는 디바이스들과 통신하는 방법이 제시된다. 단계(710)에서, 디바이스의 위치가 결정된다. 위에서 언급한 바와 같이, 단계(614)에서, 다양한 디바이스들에 대한 채널 상태는 사운딩 피드백을 사용하고 다양한 디바이스들로부터 응답 신호를 수신하여 수행될 수 있다. 셀 내 그리고 인접한 셀들의 에지들 가까이에 있는 다양한 디바이스들은 보다 저품질의 신호들을 수신할 수 있다. 인접한 셀들의 프로세싱 유닛은 통신에서 결정될 수 있고, 전체 시스템이 고려될 수 있다. 즉, 수신 신호를 증가시키기 위해 셀의 에지에 있는 디바이스들과 통신하기 위해 하나보다 많은 셀이 사용될 수 있다. 단계(712)에서, 디바이스들 또는 단말의 신호 특성들이 결정된다. 단계(714)에서, 신호 특성들에 기초하여 디바이스가 셀의 에지 가까이에 있는지 여부가 결정된다. 단계(716)에서, 제1 빔이 제1 안테나 어레이를 갖는 제1 기지국에서 형성된다. 단계(718)에서, 제2 빔이 인접한 셀로부터의 제2 안테나 어레이를 갖는 제2 기지국에서 형성된다. 단계(720)에서, 빔포머로부터 제공되는 가중치들을 사용하는 기지국의 제1 안테나 어레이로부터의 제1 빔 및 빔포머로부터 제공되는 가중치들을 사용하는 제2 기지국으로부터의 제2 안테나 어레이 제2 빔이(두 개의 인접한 셀들의 에지에 있는) 하나의 디바이스로 통신된다. 전력 출력은 데이터 신호를 통신하기 위해 사용되는 제1 빔포밍 가중치 벡터에 의해 성형된다. 단계(722)에서, 커플링된 신호가 디바이스 또는 단말에서 수신된다. 이는 브로드캐스트 컨텐츠가 사용될 수 있도록 사용 가능한 신호가 수신될 가능성을 증가시킨다.

이제 도 8 및 도 9를 참조하여, 일반 브로드캐스트 채널이 단일 소스 송신기(S)(810)를 다수의 수신기들(812)에 송신하는 문제를 고려한다. 소스는 일반적으로 이용 가능한 경우 다수의 송신기들을 활용하도록 사용된다. 이는 단일 송신기에서의 다수의 송신 안테나들 또는 다수의 분산된 송신기들을 포함하는 몇몇 형태들을 취할 수 있으며, 가능하게는 이미 이용 가능한 브로드캐스트 데이터를 갖는 수신기들을 재사용한다. 다수의 송신기들(810)은 브로드캐스트 신호를 다수의 의도된 수신기들(812)로 송신한다. 송신기들(810)은 연결된 백홀을 통해 또는 이전 송신으로부터, 동일한 브로드캐스트 데이터를 공유한다. 또한, 각 송신기(810) 및 수신기(812)는 수신 및 송신 양자를 위해 다수의 안테나들을 배치할 수 있다.

송신은 N 개의 다중 캐리어 주파수(f _n )를 통해 수행되어 다중 입력 다중 출력(multiple input-multiple output; MIMO) 채널이 각 주파수에 대한 단순한 행렬 곱으로서 취급될 수 있게 하고, 최신 다중 캐리어 통신 파형들과 일치한다. 다음의 예에서, 각각 M _t 개의 안테나를 갖는 Q 개의 송신기, 및 각각 M _r 개의 안테나를 갖는 K개의 수신기가 있다.

H ^q (f _n )는 주파수(f _n )에서 송신기(q)와 수신기(k) 사이의 채널을 나타내는 Mr _X M _t MIMO 채널 매트릭스라고 한다. s _qn 은 주파수(f _n )에서 송신기(q)로부터 송신되는 M _t x 1 심볼 벡터라고 한다. 수학식 (1)에서, 송신기(q)로부터의 송신 심볼 벡터(s _qn )는 수신기(k)에서의 복소 수신 데이터 벡터(y _k)와 관련된다.

여기서 e _kn 은 k번째 수신기에서 보여지는 수신기 잡음 플러스 간섭 벡터이다. 간섭은 협력적이거나 비협력적인 셀 외의, 공동 채널 셀룰러 신호들을 포함할 수 있다.

단계(910)에서, 모든 기지국 요소들이 송신에 사용될 수 있다. 이에 따라, 방정식은 각 수신기(k)에서 다음 형태의 단일 행렬 방정식으로 단순화될 수 있다.

여기서, 집합 매트릭스들은 다음과 같이 분해될 수 있다.

및

수학식 (2)에서 일반적인 브로드캐스트 채널의 용량 영역은 아직 특성화되지 않았다. 그러나, 잡음 및 소스 통계는 복합 가우시안 잡음인 것으로 가정된다. 이 경우, 상호 정보는 다음과 같이 작성될 수 있다.

각 수신기(k)에 대해 프로비저닝된 서비스 품질 레벨들에 의해 결정되는 용량 타겟 세트에 따라 송신 전력을 최소화하는 것이 바람직하다. 이 문제는 다음과 같이 작성된다.

여기서, R _k 는 수신기(k)에 대해 요구되는 최소 타겟 비트 레이트이다.

수학식 (4)는 (분해되지 않은) 가우시안 브로드캐스트 채널의 상호 정보를 최대화하는 문제에 대한 보다 높은 랭크 근사이다. 그 자체는 송신기에서 빔포밍을 전개하는 제약 문제의 완화이다.

가우시안 다른 사용자 간섭 채널의 채널 용량은 송신기 및 수신기 양자에서 선형 빔포밍을 사용함으로써 달성될 수 있다. 상호 정보를 단일 입력 단일 출력(single input single output, SISO)의 독립적인 채널들로 디커플링하는 새로운 메트릭이 배포될 수 있다.

디커플링된 용량 메트릭은 다음과 같이 정의될 수 있다.

그리고 여기서,

숫자 L은 브로드캐스트 채널의 최대 사용 가능 랭크이다. 다음을 유의한다.

디커플링된 용량 메트릭은 다음과 같이 디커플링된 브로드캐스트 채널 최적화 문제와 연관된다.

디커플링 공식은 기지국 및 수신기에서의 선형 가중치들을 사용한다. 기지국 송신 가중치들은 공간 자유도 및 주파수 자유도 양자를 단일의 가중치 벡터로 선형 혼합하여, 기본적으로 공간 주파수 적응형 프로세싱의 형태로서 자격을 얻는다는 점을 유의한다. 가중치들은 또한 협력하는 송신 단말들에 걸쳐, 이들이 공동으로 그리고 코히어런트하게 프로세싱될 수 있다고 가정하여 혼합된다.

도 9에 디커플링된 브로드캐스트 채널이 예시되어 있다. 데이터 프로세싱 부등식으로부터, 수학식 (13)의 해가 수학식 (4)의 해에 대한 상한임이 명백하다. 그러나, 최적의 선형 송신 가중치들(G) 및 수신 가중치들(wk)이 실제로 수학식 (4)에 대한 일반해를 또한 달성한다는 것을 보여주는 것은 어렵지 않다. 이는 매트릭스의 L 주요 고유 벡터들로부터 유도되는 수신기 가중치들( w _kl )을 사용함으로써 보여질 수 있다:

일부 예들의 경우, 수학식 (4) 및 수학식 (13)에서 사용된 채널 매트릭스들을 학습하는 것이 필요하다. LTE와 같은 많은 무선 표준들은 채널 사운딩(channel sounding)을 위한 프로비전(provision)들을 갖고, 채널 정보를 다시 기지국으로 보내기 위한, 또는 시분할 듀플렉스(time division duplex, TDD) 시스템들에서 채널 상호성을 이용하기 위한 전용 자원들을 갖는다.

다른 한편으로는, 상호성이 이용되고 브로드캐스트 채널의 디커플링된 메트릭 공식을 사용할 수 있다면, 채널은 전혀 추정되지 않고, 단지 송신 및 수신 가중치들( g ^l 및 w _kl )만을 추정한다. 이것들은 최소 평균 제곱 오차 프로세싱을 사용하여 복잡하지 않은 방식으로 추정될 수 있다.

채널 사운딩의 성능은 관련된 트레이닝 시퀀스들의 직교성에 부분적으로 따른다. 시간(t)에서, 주파수(f _n )에 대한 채널 사운딩 목적들을 위한 기지국들의 그룹으로부터의 송신은 다음의 형태를 띤다.

이는 매트릭스 항들로, 다음과 같이 쓸 수 있다.

여기서,

그리고 여기서,

그리고 T는 트레이닝 블록에서의 시간 샘플 수이다. 단계(912)로부터, 각 수신기에서의 채널 추정치는 다음과 같이 채널에 대한 최소 평균 제곱 추정치 (minimum mean square estimate, MMSE)로서 제시될 수 있다.

수학식 (17)에서의 추정은 엄격한 직교성 없이도 양호한 결과들을 얻을 수 있지만, S ^H 가 풀 랭크가 아니면 악화되기 시작한다.

다음에서, 기지국들 및 수신기들에서 선형 빔포밍 가중치들을 최적화하기 위한 옵션들이 존재한다. 리모트 유닛들이 기지국들에서 단일 안테나 및 선형 송신 빔포밍을 갖는 경우에 대해, 릴랙세이션 기법들(relaxation techniques) 및 듀얼 기획 기법들(dual programming techniques)이 사용될 수 있다. 단계(914)에서, 채널 신호들이 다시 기지국들로 송신된다.

문제는 또한 내점 방법들, 및 제약들을 핸들링하기 위한 로그 배리어 함수를 사용하여 직접 풀이될 수도 있다. 이에 따라, 문제는 이제 다음 형태의 제약이 없는 최적화 문제가 된다.

이러한 과정이 도 9에 예시되어 있다. 부등식 제약들에 대한 더 엄격한 근사치를 얻기 위해, 단계(918)에서 t가 증가되고 제약이 없는 문제가 더 최적화된다.

이제 도 10을 참조하면, 송신 및 수신 가중치들을 얻기 위한 가능한 더 효율적인 방법은 채널 상호성을 이용하고 디커플링된 용량 공식을 사용하는 것이다. 이러한 공식에서, 송신 가중치들은 업링크 또는 가상 업링크 트레이닝 시퀀스를 사용함으로써 찾아진다. 이 프로세스는 보다 복잡한 NP-하드 최적화 문제를 풀어야 한다.

단계(1010)에서, 사운딩 신호가 리모트 수신기의 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 가중치들을 찾기 위해 모든 안테나들을 통해 모든 기지국들로부터 송신된다. 수신기(k) 및 MIMO 인덱스(l)에 대한 업링크 트레이닝 기회가 사용된다. 단계(1012)에서, 각 리모트 안테나가 정규화된 리모트 가중치들을 송신한다. 이에 따라, 기지국들에서의 수신기 모델은 다음의 형태를 띤다.

여기서 간섭 정규화된 업링크 송신 가중치들은 다음과 같이 주어진다.

간섭 공분산 매트릭스는 다수의 방식들로 추정될 수 있고, 실제로 w _kl ^H R _ii w _kl 양도 직접 추정될 수 있다. 가중치들(w _kl)이 표준 MMSE 프로세싱을 사용하여 결정되는 경우, 다음의 근사치가 사용될 수 있다.

여기서, γ _kl 은 w _kl을 적용한 후의 수신기(k)에서의 SINR이고, R _y _y 는 수신기(k)에 의해 보여지는 공분산이다.

기지국들의 애퍼처(aperture)에 대한 수신기(k)는 다음에 의해 정의된다.

단계(1014)에서, _t 애퍼처는 이전과 같이 MMSE 프로세싱에 의해 기지국에서 추정될 수 있다.

정규화된 수신기 가중치들은 이제 다음에서 디커플링된 용량 제약들의 상호적 특성을 쉽게 드러낸다.

본 발명의 목적 함수는 이제 다음과 같이 쓸 수 있다.

특히 흥미로운 것은 단일 모드, 즉 각 기지국에서 단일 송신 벡터가 사용되는 경우이다. 이러한 특례는 거의 볼록형 기획법 문제로 감소될 수 있다.

먼저 이 단순히 가중치들(w _kl)의 위상을 변경함으로써 단계(1016)에서 실수로 쉽게 만들어질 수 있다는 점을 유의한다. 단계(1018)에서 문제는 다음이 된다.

볼록 문제는 g ^T a _k을 실수로 만들기 위해 a _k의 위상을 변경하는 반복적 프로세스의 중심에 있을 것이다.

도 10에서, 디커플링된 문제는 각 리모트에서의 가중치들 각 기지국에서의 가중치들에 대한 반복을 필요로 한다. 그러나, 각 반복 내에서 풀이되어야 하는 문제는 본질적으로 더 간단하며, 더 양호한 수렴 속성들을 갖는다.

다음은 기지국으로부터 리모트 유닛까지의 개별적인 채널 벡터들에 대한 숙지를 가정하여, 섹터화된 셀에서 브로드캐스트 채널의 성능을 비교한다. 국부적으로 최적화된 빔포밍된 해는 정적 등방성 빔과 비교된다.

빔포머는 브로드캐스트 채널 문제에 대한 해이다. 이 문제는 단일 정보 스트림이 다수의 송수신기들 간에 공유될 필요가 있는 멀티 캐스트 적용례들에서 발생한다. 유감스럽게도 이 문제는 NP 하드인 것으로 알려져 있다. 대조적으로, 등방성 빔의 경우는 브로드캐스트 이벤트의 이론적인 생무지의 구현을 나타내며, 여기서 신호는 단순히 공간적으로 등방성인 균일한 안테나 또는 안테나 빔을 통해 브로드캐스트된다.

최적의 브로드캐스트 빔은 2차 제약 조건들이 있는 2차 프로그래밍(quadratic programming) 문제의 해(solution)를 필요로 하지만, 등방성 빔은 또한 설계하기 어렵다. 안테나 응답이 알려져 있는 경우, 코사인 테이퍼 빔 패턴은 최소 제곱 적합에 의해 매칭된다. 이는 양호한 결과들을 얻는 것으로 보이고 안테나 어레이에 대한 지식만을 필요로 한다.

또한, 결과들은 기지국으로부터 개별 가입자로의 유니캐스트 채널의 성능과 비교된다. 브로드캐스트 모드에서, 동일한 브로드캐스트 메시지는 통상의 셀룰러 인프라스트럭처를 사용하여 다수의 가입자들에게 독립적으로 전달된다.

각 기지국(enodeB) 안테나 요소는 카디오이드 이득 패턴을 갖는다. 이득 패턴들은 12.0 dB 피크 이득, 25.0 dB 전후비, 및 120.0도 3 dB 빔 폭을 갖는다. 이는 도 11에서 8 안테나 요소 어레이에 대해 도시되어 있다.

기본 위상 응답은 도 12에 도시되어 있다. 쉐도윙 효과(shadowing effect)가 없는 범위의 함수로서의 경로 손실이 도 13에 도시되어 있다. 단일 LTE 자원 블록에 대한 최대 송신 전력이 추가된다. 그 전력은 29.01 dBm인 것으로 가정된다. 또한, 플롯은 최소 LTE 자원 블록에 대응하여, 300.0 켈빈 도(Kelvin degree)의 가정된 온도 및 180.0 kHz 대역폭에 대한 열적 잡음층을 도시한다.

쉐도윙 이득들이 등방성인 리모트 어레이 안테나에 적용되지만, 이들의 위상 응답은 도 14에 도시되어 있다. 시뮬레이션에서는 8 dB의 로그 정규 쉐도윙 편차가 사용된다.

섹터에 대한 베이스 안테나들은 0.7 람다 간격을 갖는 선형 어레이를 형성한다는 점을 유의한다. 이러한 예에서는, 총 8개의 베이스 안테나들 및 두 개의 리모트 유닛 안테나들이 존재한다. 리모트 유닛 사용자 단말 안테나들은 반경 8.0 센티미터의 원 상에 놓이는 것으로 가정된다.

이러한 시뮬레이션을 위해, 정의된 섹터에서의 리모트 유닛들이 생성된다. 100개의 사용자 단말들이 도 15에서 반경 1500.0 미터의 셀에서의 120도 섹터에 배치된다. 최소 전력으로, 모든 사용자 단말들에 걸쳐 임의의 SINR 타겟을 충족시키는 송신 가중치들이 찾아진다.

120도 섹터의 경우, 브로드캐스트 가중치들은 통상적으로 등방성 가중치들에 비해 6-10 dB 성능 개선을 가지며, 이는 기지국에서 채널 상태 정보(channel state information, CSI)가 쉽게 이용 가능한 것을 조건으로, 가중치들을 최적화하는 것이 노력할만한 가치가 있음을 시사한다. 이는 LTE 셀룰러 네트워크들에서 MU-MIMO의 완전한 전개가 예상되는 경우 불합리한 가정이 아니다.

단일 섹터에서 최대 100개의 사용자 단말들에 동시에 브로드캐스트를 시도할 때에도 이득이 이렇게 중요하다는 점에 주목하는 것은 흥미롭다. 브로드캐스트 경우와 등방성 경우에 대한 최적의 빔 패턴들이 도 16에서 보여지는 바와 같이 비교된다. 브로드캐스트 빔 패턴은 보다 낮은 성능의 사용자 단말들을 강화하려고 시도하고, 이에 따라 등방성 경우에 비해 다소 불규칙한 형상을 갖는다.

그러나, 이러한 불규칙한 형상은 도 17의 SNR 히스토그램이 도시하는 바와 같이 상당한 성능 이득을 제공할 수 있다. 브로드캐스트 빔에 대한 수신된 SNR들은 보다 단순한 등방성 빔보다 거의 균일하게 성능이 뛰어나다.

브로드캐스트 빔포머, 등방성 빔포머 및 유니캐스트 MU-MIMO 링크의 성능은 파라미터의 함수로서 달라진다. 성능은 가입자 유닛당, Hz당 초당 비트 수의 스펙트럼 효율성에 의해 측정된다. 편의상, 이 ids는 4.5 dB로 설정된 CODEC 손실 계수 L만큼 감소된 Shannon 용량을 계산함으로써 계산된다. 이는 다음과 같이 SINR의 함수로서 쓸 수 있다.

이러한 공식은 보고된 LTE 오류 정정 코덱들과의 대략의 일치를 보여준다.

MU-MIMO 용량 결과를 계산하기 위해, 공동 채널 리모트 수는 공간적으로 별개일 수 있고 기본 안테나의 수를 4로 나눈 것과 같다고 가정한다. 이는 인접 셀 간섭, 및 현재 사용 중인 채널 사운딩 기법들로 인해 다소 낙관적인 가정이다.

각 링크에 대해 2개의 독립적인 MIMO 채널들이 있을 것이라고 가정한다. 이러한 모든 MIMO 채널은 메인 경로보다 5 dB 더 작은 경로 이득을 가정한다. 결과적으로, 본 발명의 MU-MIMO 용량에 대해 다음 공식이 사용된다:

여기서 C _MIMO 는 MIMO 스펙트럼 효율, N _rems 는 리모트 유닛 수, M _base 는 기지국 안테나 수, γ는 SINR, 그리고 N _paths 는 링크당 사용 가능한 MIMO 경로 수이다. MU-MIMO 링크들의 타겟 SINR은 넉넉한 21.0 dB로 설정된다.

대부분의 수치 테스트들에서, 등방성 빔포머를 사용하여 성능을 분류한 후, 최악의 경우의 리모트 유닛들이 컬링되거나 제거된다. 이는 성능 결과들을 지배하는 외곽의 잘못된 링크들의 문제를 완화하도록 하는 것이다. 다행히, 처음에 예상했던 것만큼 강력한 효과는 아니다.

도 18에서 리모트 수에 따른 성능은 달라진다. 이 실행은 최악의 리모트의 5 퍼센트를 제거한다. 점선은 MU-MIMO 성능이고, 청색 선은 브로드캐스트 빔 성능이다. 브로드캐스트 빔은 셀룰러 섹터에서의 많은 수의 리모트들에 대해서도, 등방성 빔보다 Hz당 초당 2-3 비트 더 많은 것을 지속적으로 달성한다. MU-MIMO 유니캐스트 접근법은 단지 2개의 이용 가능한 다중 경로 광선들로, 이 구성에서 약 6개의 리모트들에서 능가된다.

리모트 수가 증가함에 따라, 브로드캐스트 빔 성능은 매우 천천히 감소할 뿐이어서, Hz당 초당 3비트의 점근선에 도달하는 것처럼 보인다. 이는 도 19에서, 최대 1000개의 리모트 유닛들로, 보다 장기적인 실행시 더 명확하게 보인다. 이 결과는 어떠한 리모트 유닛 컬링 또는 배제도 행하지 않고 얻어진 것이다.

도 20에는 기지국 안테나 수의 함수에 따른 효율성이 도시되어 있다. 이는 공동 채널 통신을 위한 공간 채널이 사용될 수 있는 것을 조건으로, MU-MIMO 해에 특히 유용한 파라미터이다. 이는 또한 충족시킬 수 있는 리모트 유닛 제약 수와 이득 양자에서, 전체 빔포머 성능을 개선하기 때문에 브로드캐스트 채널에 도움이 된다.

도 21에서는 리모트 안테나들이 달라진다. 이는 주로 브로드캐스트 빔포머에 이점이 있지만, 이론적으로는 현재 여기서 모델링되지 않은 셀 외부 간섭에도 도움이 된다. 리모트 유닛 안테나들은 SINR이 안테나 수에 따라 선형적으로 증가하며, 이로 인해 용량을 로그적으로 증가시키는 프로세싱 이득을 제공한다. 이론적으로, MU-MIMO의 경우에도 도움이 되며, 사용 가능한 MIMO 경로 수가 증가될 수 있다. 등방성 빔 성능은 안테나 수가 증가함에 따라 등각 빔을 유지해야 하는 어려움으로 인해 의심할 여지 없이 잡음이 더 많다.

도 22에서는, 100개의 리모트 유닛들이 있는 120도 섹터로부터 컬링된 리모트 디바이스 수가 달라진다. 모든 후보 빔포머들에 대한 성능은 가장 문제가 되는 링크들이 제거되고 서비스할 리모트들이 줄어들며 개선된다.

마지막으로, 도 23에서는 기지국 섹터의 크기가 달라지지만, 총 리모트 수는 100으로 유지된다. 보다 작은 섹터들은 브로드캐스트 빔포머에 도움이 되지만, 그 효과는 예상보다 작다. 120도 섹터에 비해 Hz당 초당 1비트만 향상된다는 점을 감안할 때, 시간이 지남에 따라 5도 또는 10도 섹터를 재사용하고 섹터 각도를 증분시킴으로써 셀을 석권하는 아이디어를 정당화하는 것은 어려운 것으로 보인다.

따라서, 가입자 수가 10명 이하이어서 유니캐스트를 보는 것에 별로 의미가 없는 한 컨텐츠를 유니캐스트하는 것보다 브로드캐스트가 훨씬 더 양호한 것으로 보인다. 브로드캐스트 빔포머를 효과적으로 사용하려면 채널 사운딩과 비선형 최적화 문제 양자를 수반하여 2차 제약 축소자를 해결해야 한다.

이제 당업자들은 전술한 설명으로부터, 본 개시 내용의 광범위한 교시가 다양한 형태들로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 개시 내용은 특정 예를 포함하지만, 다른 수정이 도면, 명세서 및 다음 청구범위의 연구에 따라 숙련된 실무자에게 명백해질 것이기 때문에 개시 내용의 진정한 범위가 그렇게 제한되어서는 안 된다.

Claims

방법으로서,
기지국에 커플링된 제1 안테나 어레이를 통해 복수의 디바이스들에 사운딩 신호를 통신하는 단계;
상기 사운딩 신호에 응답하여, 상기 복수의 디바이스들 각각으로부터 상기 기지국에 응답 신호를 통신하여, 상기 응답 신호로부터 디바이스 위치, 상기 사운딩 신호의 신호 강도 및 상기 사운딩 신호의 위상 정보를 포함하는 디바이스 데이터를 결정하는 단계;
상기 디바이스 데이터에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 제1 그룹으로 그룹화하는 단계;
상기 제1 그룹에 데이터 신호를 통신하기 위해 상기 제1 안테나 어레이의 전력 출력을 보다 높은 전력 및 보다 낮은 전력 영역들로 성형(shaping)하도록 상기 제1 그룹에 대한 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계; 및
상기 제1 송신 빔포밍 가중치들을 사용하여 상기 제1 안테나 어레이로부터의 무선 신호를 통해 상기 데이터 신호를 상기 제1 그룹에 브로드캐스트하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 통신 시스템의 잔여 용량을 식별하는 단계를 더 포함하고, 상기 브로드캐스트하는 단계는 전체 시스템 용량의 상기 잔여 용량 내에서 상기 데이터 신호를 브로드캐스트하는 단계를 포함하며, 상기 전체 시스템 용량은 상기 복수의 디바이스들에 의한 실시간 소비를 위해 상기 데이터 신호를 통신하는 데 사용되는 브로드캐스트 송신의 제1 부분을 포함하고, 상기 잔여 용량은 비-실시간 소비를 위해 상기 브로드캐스트 송신의 상기 제1 부분과 분리되는 것인, 방법.
제2항에 있어서, 잔여 용량을 사용하여 상기 데이터 신호를 통신하는 것은 미사용된 또는 충분히 사용되고 있지 않는 자원을 사용하여 상기 데이터를 통신하는 것을 포함하는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 전체 시스템 용량은 브로드캐스트 모드 및 유니캐스트 모드를 포함하는 것인, 방법.
제4항에 있어서, 상기 데이터 신호를 브로드캐스트하는 단계는 상기 브로드캐스트 모드로 수행되는 것인, 방법.
제4항에 있어서, 상기 유니캐스트 모드를 사용하여 상기 제1 안테나 어레이를 통해 상기 제1 그룹 이외의 제1 디바이스에 상기 데이터 신호를 통신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 브로드캐스트 커버리지와 스루풋 트레이드오프에 기초하여 상기 제1 디바이스를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 브로드캐스트 커버리지와 스루풋 트레이드오프에 기초하여 상기 제1 디바이스를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 제1 변조 및 코딩 방식에 기초하여 상기 제1 디바이스를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 상이한 변조 및 코딩 방식들의 사용을 비교하는 것에 기초하여 상기 제1 디바이스를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 신호 강도에 기초하여 상기 제1 디바이스를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 제1 시간 동안 지상 셀룰러 통신 시스템의 전체 시스템 용량의 제1 부분을 사용하여 셀룰러 사용자들에 의한 실시간 소비를 위해 상기 데이터 신호를 상기 셀룰러 사용자들에게 통신하는 단계를 더 포함하며, 상기 전체 시스템 용량은 상기 제1 부분, 및 상기 제1 부분과 분리된 잔여 용량을 포함하되, 상기 실시간 소비는 사용자가 상기 데이터 신호를 소비할 것을 요청할 때와 동시에 발생하고, 상기 데이터 신호를 브로드캐스트하는 단계는 상기 잔여 용량을 사용하여 상기 데이터 신호를 브로드캐스트하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 그룹의 디바이스들로 상기 데이터 신호를 브로드캐스트하는 단계는 상기 데이터 신호를 중간 데이터 저장 디바이스들에 브로드캐스트하는 단계, 및 상기 중간 데이터 저장 디바이스들에 상기 데이터 신호를 저장하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제13항에 있어서, 상기 데이터 신호를 저장한 후에, 실시간 소비에 대응하는 제1 시간과 상이한 제2 시간에, 사용자 애플리케이션에 의해, 상기 중간 데이터 저장 디바이스로부터의 상기 데이터 신호를 요청하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제14항에 있어서, 상기 제1 데이터를 저장한 후에, 제1 디바이스의 상기 중간 데이터 저장 디바이스로부터 상기 사용자 애플리케이션으로 상기 제1 데이터를 통신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제14항에 있어서, 상기 데이터 신호를 브로드캐스트한 후에, 상기 중간 저장 디바이스로부터 상기 데이터 신호를 수신하는 단계, 및 상기 사용자 애플리케이션에서 상기 데이터 신호를 실시간으로 소비하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제14항에 있어서, 상기 중간 데이터 저장 디바이스는 셀 타워(cell tower)에 배치되고, 상기 셀 타워에서 발신하는 상기 데이터 신호를 무선 네트워크를 통해 통신함으로써 상기 중간 데이터 저장 디바이스로부터 제1 디바이스로 상기 데이터 신호를 통신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제14항에 있어서, 상기 사용자 애플리케이션은 셀룰러 사용자 디바이스에 배치되는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들은 셀룰러 사용자 디바이스들을 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 안테나 어레이와 이격되어 있는 제2 안테나 어레이로부터의 상기 데이터 신호의 브로드캐스트에 적어도 제1 사용자 애플리케이션을 포함시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 그룹 내에 제1 클럼프(clump) 및 제2 클럼프를 형성하는 단계, 및 상기 제1 안테나 어레이의 로브들(lobes)을 상기 제1 클럼프 및 상기 제2 클럼프로 지향시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 응답 신호는 업링크 피드백을 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 데이터 신호를 브로드캐스트한 후, 수신 품질을 결정하는 단계; 및
상기 수신 품질에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 제2 그룹으로 그룹화하는 단계인 것인, 방법.
제23항에 있어서, 상기 수신 품질은 오차율을 포함하는 것인, 방법.
제23항에 있어서, 상기 수신 품질은 수신 스루풋을 포함하는 것인, 방법.
제23항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들을 상기 제2 그룹으로 그룹화하는 단계는 상기 수신 품질 및 상기 디바이스 데이터에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 제2 그룹으로 그룹화하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제23항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들을 상기 제2 그룹으로 그룹화하는 단계는 상기 수신 품질 및 브로드캐스트 커버리지와 스루풋 트레이드오프에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 제2 그룹으로 그룹화하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제23항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들을 상기 제2 그룹으로 그룹화하는 단계는 상기 수신 품질, 및 상이한 변조 및 코딩 방식들의 사용을 비교하는 것에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 제2 그룹으로 그룹화하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제28항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들을 상기 제2 그룹으로 그룹화하는 단계는 상기 수신 품질 및 신호 강도에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 제2 그룹으로 그룹화하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 데이터 신호를 브로드캐스트하는 단계는 다수의 안테나들을 갖는 리모트 수신기들로 다수의 송신 가중치들을 사용하여 상기 데이터 신호를 송신하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계는 복수의 기지국들을 통한 내점 배리어 함수들(interior point barrier functions)을 사용하여 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 다수의 기지국들 또는 다수의 리모트 유닛들, 또는 둘 모두를 통해 상기 복수의 디바이스들로 동기식으로 송신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제32항에 있어서, 제1 기지국으로부터의 제1 신호 및 제2 기지국으로부터의 제2 신호를 사용하는 제1 디바이스를 사용하여 제1 데이터를 동시에 통신하는 단계, 및 상기 제1 데이터에 대한 변조 및 코딩 방식을 증가시키기 위해 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 동시에 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제33항에 있어서, 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국으로부터의 상기 제1 데이터를 동시에 송신하도록 상기 제1 기지국의 제2 송신 빔포밍 가중치들 및 상기 제2 기지국의 제3 송신 빔포밍 가중치들을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제34항에 있어서, 상기 제2 송신 빔포밍 가중치들은 제1 빔 변형 가중치들을 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계는 최소 평균 제곱 오차(minimum mean square error) 프로세싱을 사용하여 상기 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계는 단순화된 목적 함수(objective function)를 사용하여 상기 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계는 볼록 근사 모델(convex approximation model)을 사용하여 상기 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계는 릴랙세이션 기법들(relaxation techniques) 및 랭크 근사법들(rank approximations)을 사용하여 상기 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계는 잡음 공분산(noise covariance)을 사용하여 정규화된 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계는 선형 가중치 최적화 함수에서 용량 제약들을 적절히 설정하는 것에 의해 상이한 품질 레벨들을 사용하여 상기 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들을 상기 제1 그룹으로 그룹화하는 단계는 브로드캐스트 커버리지와 스루풋 트레이드오프에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 그룹화하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들을 상기 제1 그룹으로 그룹화하는 단계는 제1 변조 및 코딩 방식에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 그룹화하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 디바이스들을 상기 제1 그룹으로 그룹화하는 단계는 상이한 변조 및 코딩 방식들의 사용을 비교하는 것에 의해 상기 복수의 디바이스들을 그룹화하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 그룹화하는 단계는 신호 강도에 기초하여 상기 복수의 디바이스들 중 적어도 하나를 배제하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
기지국에 커플링된 프로세싱 유닛으로서,
복수의 디바이스들에 사운딩 신호를 통신하는 상기 기지국과 연관된 안테나 어레이;
상기 복수의 디바이스들 각각으로부터 응답 신호를 수신하고 상기 응답 신호로부터 디바이스 위치, 상기 사운딩 신호의 신호 강도 및 상기 사운딩 신호의 위상 정보를 포함하는 디바이스 데이터를 결정하는 최적화 회로 - 상기 최적화 회로는 상기 디바이스 데이터에 기초하여 상기 복수의 디바이스들을 제1 그룹으로 그룹화함 -;
상기 제1 그룹에 데이터 신호를 통신하기 위해 제1 빔포밍 가중치 벡터의 전력 출력을 성형하도록 상기 제1 그룹에 대한 제1 송신 빔포밍 가중치들을 생성하는 빔포머; 및
상기 제1 송신 빔포밍 가중치들을 사용하여 무선 신호를 통해 상기 제1 그룹에 상기 데이터 신호를 브로드캐스트하는 상기 안테나를 포함하는, 프로세싱 유닛.