KR20230145549A - 암시적 mu-mimo를 위한 효율적 채널 추정 - Google Patents

Abstract

효율적인 채널 추정 기술을 구현하는 MIMO 무선 시스템용 기지국. 하나의 예시적인 실시예는: 공간적으로 분산된 사용자 단말기와 업링크 및 다운링크 신호를 교환하는 다중 안테나의 어레이; 안테나를 다수의 수신 체인 중 대응하는 하나에 또한 연결하는 각 트랜시버에 의해 다중 안테나 중 하나에 각각 연결되는 다수의 송신 체인; 및 제어기를 포함한다. 수신 체인 각각은 업링크 신호의 패킷 헤더로부터 추정된 업링크 채널 응답 계수를 기회론적으로 도출하고, 제어기는 추정된 채널 응답 계수에 적어도 부분적으로 기초하여 스티어링 변환을 결정한다. 송신 체인은 공간적으로 구분되는 다운링크 신호에 스티어링 변환을 적용하여 어레이 내의 각 안테나에 대한 안테나-특정 다운링크 신호를 생성한다. 다른 예시적인 실시예는, 추정된 채널 응답 계수에 적어도 부분적으로 기초하여, 각 사용자 단말기에 대한 이동성 표시자를 결정하고, 이동성 표시자에 기초하여 적어도 하나의 동작을 스케줄링한다.

Description

암시적 MU-MIMO를 위한 효율적 채널 추정 {EFFICIENT CHANNEL ESTIMATION FOR IMPLICIT MU-MIMO}

연관된 출원에 대한 상호참조

본 출원은 2016년 8월 25일에 출원된, 발명의 명칭 "암시적 MU-MIMO를 위한 효율적 채널 추정", 발명자는 Ryan E. Guerra, Clayton W. Shepard, Narendra Anand, Edward Knightly, and Lin Zhong 인 미국 가출원 제62/379,351호에 대한 우선권을 주장한다.

정부 지원의 확인

이 발명은 국립 과학 재단이 수여한 하나 이상의 계약(계약번호 1126478, 1218700, 1405937, 1444056, 1514285, 1518916, 및/또는 1520496)에 따른 정부 지원 하에 이루어졌다. 정부는 발명에 대해 일정한 권리를 가진다.

무선 네트워크가 보급되면서, 다양한 전자 디바이스가 서로 무선으로 통신하고 인터넷에 액세스할 수 있게 되었다. 디바이스 수와 그들의 개별 대역폭 요구 사항이 지속적으로 증가하면서, 엔지니어가 더욱 효율적인 방식으로 사용 가능한 대역폭을 활용하기 위한 새로운 통신 기술을 개발하는 원인이 되고있다.

특히, 다중 사용자, 다중 입력 다중 출력(MU-MIMO) 기술은 각각 하나 이상의 안테나를 갖는 사용자 단말기 및 기지국이 서로 통신하기 위한 무선 링크를 확립할 수 있게 한다. 본원에서 사용되는 바에 따르면, 채널 상태 정보(CSI)라는 용어는 무선 링크가 제공하는 통신 채널(들)의 특성을 지칭한다. CSI는 신호가 송신기에서 수신기로 어떻게 전파되는지를 나타내는 모델로서, 예를 들어, 산란, 페이딩 및 거리에 따른 전력 감쇠의 결합된 효과를 설명한다. MU-MIMO와 같은 무선 통신 기술은 현재의 채널 조건에 전송을 적응시키기 위해 주기적으로 CSI를 측정하며, 이는 높은 데이터 전송률로 안정적인 통신을 달성하는 데 매우 중요하다.

무선 통신 네트워크에서, CSI는 사용자 단말기의 움직임 및 환경 조건에 대한 다른 변화에 민감하여, CSI 측정 절차가 빈번히 반복되는 것을 필요로 한다. MU-MIMO 시스템에 대한 CSI 측정 프로세스는 다양한 방법으로 구현될 수 있지만, 기존의 MU-MIMO CSI 측정 프로세스에서는 채널 대역폭의 일부가 CSI 측정을 위한 고정 오버헤드로 할당되는 것을 요구한다. 기존의 IEEE 802.11af 표준에서 제공되는 바와 같이, 요구되는 오버헤드 할당은 사용자 단말기 안테나의 수 K에 비례하여 증가하고(일 실시예에서는, 또한 기지국 안테나의 수 M에 비례하여 증가한다), 적어도 일부 경우에는 오버헤드가 사용 가능한 채널 대역폭의 90%에 접근하여, 데이터 처리량을 심각하게 제한한다.

따라서, 본원에서는 다중 사용자 다중 입력 다중 출력(MU-MIMO) 무선 시스템을 위한 효율적인 채널 추정 기술이, 예시적인 사용자 단말기 디바이스 및 이러한 기술을 구현하는 기지국과 함께 개시되어 있다.

하나의 예시적인 무선 통신 기지국 실시예는: 공간적으로 분산된 사용자 단말기와 업링크 및 다운링크 신호를 교환하기 위한 다중 안테나의 어레이; 해당 안테나를 다수의 수신 체인 중 대응하는 하나에 또한 연결하는 각 트랜시버에 의해 다중 안테나 중 하나에 각각 연결되는 다수의 송신 체인; 및 제어기를 포함한다. 각 수신 체인은 무선 업링크 신호 내의 패킷 헤더로부터 추정된 업링크 채널 응답 계수를 도출하며, 제어기는 추정된 채널 응답 계수에 적어도 부분적으로 기초하여 스티어링 변환을 결정한다. 송신 체인은 공간적으로 구분되는 다운링크 신호에 스티어링 변환을 적용하여 어레이 내의 각 안테나에 대한 안테나-특정 다운링크 신호를 생성한다.

다른 예시적인 무선 통신 기지국 실시예는: 공간적으로 분산된 사용자 단말기와 업링크 및 다운링크 신호를 교환하기 위한 다중 안테나의 어레이; 해당 안테나를 다수의 수신 체인 중 대응하는 하나에 또한 연결하는 각 트랜시버에 의해 다중 안테나 중 하나에 각각 연결되는 다수의 송신 체인; 및 제어기를 포함한다. 각 수신 체인은 무선 업링크 신호로부터 추정된 업링크 채널 응답 계수를 도출하며, 이들 계수에 기초하여 제어기는 송신 체인에 의해 공간적으로 구분되는 다운링크 신호에 적용될 스티어링 변환을 결정하여 어레이 내의 각 안테나에 대한 안테나-특정 다운링크 신호를 생성한다. 제어기는 추정된 채널 응답 계수에 적어도 부분적으로 기초하여 각 사용자 단말기에 대한 이동성 표시자를 더 결정하고, 이동성 표시자에 기초하여, 하나 이상의 사용자 스테이션으로부터의 업링크 파일럿 신호, 및 상기 추정된 업링크 채널 응답 계수의 재도출로 구성되는 세트 내의 적어도 하나의 동작을 스케줄링한다.

개시된 무선 네트워크 통신 방법의 일 예시적인 실시예는: 공간적으로 분산된 사용자 단말기와 무선 업링크 및 다운링크 신호를 교환; 사용자 단말기 안테나 및 기지국 안테나의 각 조합에 대해, 무선 업링크 신호 내의 패킷 헤더로부터 추정된 업링크 채널 응답 계수를 도출; 추정된 업링크 채널 응답 계수에 적어도 부분적으로 기초하여 스티어링 변환을 결정; 및 상기 스티어링 변환을 공간적으로 구분되는 다운링크 신호에 적용하여 다중 안테나 기지국의 각 안테나에 대한 안테나-특정 다운링크 신호를 생성하여, 공간적으로 분산된 사용자 단말기로 무선 다운링크 신호를 전달하기 위해 빔포밍을 포함한다.

개시된 무선 네트워크 통신 방법의 다른 예시적인 실시예는: 공간적으로 분산된 사용자 단말기와 무선 업링크 및 다운링크 신호를 교환; 사용자 단말기 안테나 및 기지국 안테나의 각 조합에 대해, 무선 업링크 신호로부터 추정된 업링크 채널 응답 계수를 도출; 추정된 업링크 채널 응답 계수에 적어도 부분적으로 기초하여 스티어링 변환을 결정; 스티어링 변환을 공간적으로 구분되는 다운링크 신호에 적용하여 다중 안테나 기지국의 각 안테나에 대한 안테나-특정 다운링크 신호를 생성하여, 공간적으로 분산된 사용자 단말기로 무선 다운링크 신호를 전달하기 위해 빔포밍; 추정된 채널 응답 계수에 적어도 부분적으로 기초하여 각 사용자 단말기에 대한 이동성 표시자를 발견; 및 이동성 표시자에 기초하여, 추정된 업링크 채널 응답 계수 재도출 및 스티어링 변환 재결정으로 구성되는 세트 내의 적어도 하나의 동작 스케줄링을 포함한다.

전술한 실시예 각각은 개별적으로 또는 조합하여 구현될 수 있으며, 임의의 적합한 조합에서 다음 특징들 중 임의의 하나 이상을 갖도록 구현될 수 있다 :(1) 제어기가 추정된 업링크 채널 응답 계수를 스티어링 변환 결정에 사용된 값과 비교하고, 충분한 차이를 검출함에 따라 스티어링 변환을 재결정한다. (2) 추정된 업링크 채널 응답 계수는 상기 어레이 내의 각 안테나에 대해 사용자 단말기 안테나 별로 결정된다. (3) 각 사용자 단말기 안테나에 대해서, 제어기는 해당 사용자 단말기 안테나의 추정된 업링크 채널 계수가 도출된 이후 경과 시간을 모니터링한다. (4) 경과 시간이 임계치를 초과한다고 결정됨에 따라, 해당 사용자 단말기 안테나와 무선 패킷 교환을 개시함에 의해 제어기는 해당 사용자 단말기 안테나에 대한 추정된 업링크 채널 응답 계수를 리프레시한다. (5) 경과 시간이 임계치를 초과한다고 결정됨에 따라, 제어기는 해당 사용자 단말기 안테나를 비활성으로 지정하고 활성 사용자 단말기 안테나에 대한 스티어링 변환을 재결정한다. (6) 제어기는 추정된 채널 응답 계수로부터 각 사용자 단말기 안테나에 대한 이동성 표시자를 도출하고, 임계치는 해당 사용자 단말기 안테나에 대한 이동성 표시자에 의존한다. (7) 다수의 송신 체인 및 다수의 수신 체인 각각은 각각 OFDM 변조 및 복조를 제공한다. (8) 추정된 업링크 채널 응답 계수는 기지국 안테나, 사용자 단말기 안테나 및 주파수 빈(frequency bin)의 함수로서 도출된다. (9) 수신 체인은 무선 업링크 신호 내의 파일럿 신호에 기초하여 추정된 업링크 채널 응답 계수를 도출한다. (10) 제어기는 이동성 표시자에 기초하여 파일럿 신호를 스케줄링한다. (11) 제어기는 주파수 빈에 대한 서브샘플링을 위한 파일럿 신호를 스케줄링한다. (12) 제어기는 이동성 표시자, CSI의 주파수 및 시간 일관성, 및/또는 선택된 빔포머에 기초할 수 있는 서브샘플링의 정도를 설정한다. (13) 이동성 표시자는 주어진 사용자 단말기 안테나에 대한 현재 및 과거의 추정된 업링크 채널 응답 계수의 정규화된 점곱(dot product)의 기준치에 대한 차이를 나타낸다. (14) 기준치는 이전의 정규화된 점곱의 슬라이딩 윈도우 평균이다. (15) 이전의 정규화된 점곱을 포함하여, 정규화된 점곱 각각은 고정된 시간 지연에 의해 분리되는 추정된 업링크 채널 응답 계수를 상관시킨다. (16) 정규화된 점곱은 주파수 빈에 대해 평균된 점곱과 주파수 빈에 대해 평균된 크기곱 사이의 비율이다. (17) 정규화된 점곱은 점곱과 크기곱 사이의 평균 비율이며, 상기 비율은 주파수 빈에 대해 평균된다. (18) 제어기는 이동성 표시자에 적어도 부분적으로 기초하여 사용자 단말기를 그룹화한다. (19) 스티어링 변환 결정의 일부로서, 제어기는 각 사용자 단말기 그룹에 대해 스티어링 변환을 결정한다. (20) 공간적으로 분산된 사용자 단말기 중 적어도 일부는 IEEE Std 802.11(2012)에 따라 상기 업링크 신호를 제공하고 상기 다운링크 신호를 수용한다. (21) 도출 동작은 각 기지국 안테나에 대해 사용자 단말기 안테나 별로 추정된 업링크 채널 응답 계수를 산출한다. (22) 방법은: 각 사용자 단말기 안테나에 대해, 해당 사용자 단말기 안테나의 추정된 업링크 채널 계수가 도출된 때로부터 경과 시간 모니터링; 및 경과 시간이 임계치를 초과한다고 결정됨에 따라, 해당 사용자 단말기 안테나를 비활성으로 지정; 추정된 업링크 채널 응답 계수를 리프레시하기 위하여 해당 사용자 단말기 안테나와 패킷 교환 개시; 및 활성 사용자 단말기 안테나에 대한 스티어링 변환 재결정으로 구성되는 세트 내의 적어도 하나의 동작을 수행을 더 포함한다. (23) 방법은: 추정된 업링크 채널 응답 계수를 스티어링 변환 결정을 위해 사용된 값과 비교; 및 충분한 차이를 검출함에 따라, 스티어링 변환 재결정을 더 포함한다. (24) 방법은: 추정된 채널 응답 계수로부터, 각 사용자 단말기 안테나에 대한 이동성 표시자 도출, 및 해당 사용자 단말기 안테나에 대한 이동성 표시자에 적어도 부분적으로 기초하여 임계치 설정을 더 포함한다.

이제 도면을 참조하며, 도시된 요소는 반드시 축척에 맞게 도시되어 있지 않지만, 동일하거나 유사한 요소는 여러 도면을 통해 동일한 참조 번호로 표시될 수 있다.이제 도면을 참조하며, 도시된 요소는 반드시 축척에 맞게 도시되어 있지 않지만, 동일하거나 유사한 요소는 여러 도면을 통해 동일한 참조 번호로 표시될 수 있다.
도 1은 예시적인 MU-MIMO 무선 시스템의 공간 빔포밍도이다.
도 2는 CSI 계수들을 나타내는 예시적인 MU-MIMO 무선 링크도이다.
도 3a는 암시적 CSI 측정 오버헤드를 나타내는 링크-시간 그래프이다.
도 3b는 기회론적 CSI 측정치를 나타내는 링크-시간 그래프이다.
도 4는 예시적인 기지국 아키텍처의 블록도이다.
도 5는 예시적인 트랜시버에 연결된 예시적인 송신/수신 체인의 블록도이다.
도 6은 이동성 결정 방법의 상태도이다.
도 7은 예시적인 무선 통신 방법의 흐름도이다.
그러나, 도면 및 상세한 설명에 주어진 특정한 실시예는 본 개시를 제한하지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 반대로, 이들은 당업자가 첨부된 청구항의 범위에 포함되는 대안적인 형태, 등가물 및 변형을 식별할 수 있는 기초를 제공한다.

용어

본원에서 사용된 용어의 대부분은 당업자에게 인식될 수 있으며, 따라서 명시적으로 정의되지 않은 경우, 용어는 당업자가 현재 받아들이는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 함을 이해하여야 한다.

약어 CSI는 채널 상태 정보(channel state information)를 나타내며, 이는 통신 링크를 통과하는 신호의 주어진 주파수에 대한 감쇠 및 위상 지연을 각각 나타내는 복소 계수 세트로 표현될 수 있다.

약어 EVM은 오류 벡터 크기(error vector magnitude)를 나타낸다. 약어 FFT는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 나타낸다. 약어 LNA는 저잡음 증폭기(low noise amplifier)를 나타낸다. 약어 MIMO는 다중 입력 다중 출력을 나타내며, 무선 통신 환경에서는 여러 노드 중 적어도 하나가 다중 안테나를 사용하는 노드 사이에서 무선 통신을 수행하는 시스템에 적용된다. 약어 MU-MIMO는 다중 사용자, 다중 입력, 다중 출력을 의미하며, 본 출원의 환경에서 두 개가 넘는 노드가 있는 MIMO 시스템에 적용된다.

약어 OFDM은 직교 주파수 분할 다중화(orthogonal frequency division multiplexing)를 나타내며, 데이터 심볼을 밀접 간격 부반송파 주파수에 분배하기 위해 역 푸리에 변환을 사용하여 일반적으로 구현되는 변조 기술이다. 수신단에서, 데이터 심볼은 일반적인 푸리에 변환을 통해 복원될 수 있다. 밀접히 연관된 변조 기술은 단일 반송파 주파수 분할 다중 접속(SC-FDMA, single-carrier frequency division multiple access)이며, 이는 때때로 선형의 프리코딩된 직교 주파수 분할 다중 접속으로 지칭된다.

본원에서 사용되는 바에 따르면, 용어 "파일럿" 또는 "파일럿 신호"는 수신 디바이스가 무선 채널의 특성, 즉 CSI를 측정하기에 적합한 소정 패턴 또는 컨텐츠를 갖는 신호를 지칭한다. IEEE Std 802.11에서 정의된 STS(Short Training Sequence) 및 LTS(Long Training Sequence)와 같은 훈련 패턴 및 타이밍 동기화 패턴과 프레임 마커(frame marker)까지도 파일럿 신호 역할을 할 수 있다. 패킷 헤더 및 프레임 프리앰블은 전형적으로 하나 이상의 그러한 패턴을 포함하지만, 빠르고 정확한 CSI 측정을 가능하게 하기 위하여, 시분할 다중화, 주파수 분할 다중화, 코드 분할 다중화, 공간 다이버시티 또는 간섭을 최소화하는 일부 다른 메커니즘을 사용하여 상이한 사용자 단말기로부터의 파일럿 신호는 서로 직교하는 것이 일반적으로 바람직하다.

"PHY"는 802.11 표준에서 사용되는 용어인 "물리 계층(physical layer)"의 약자이다.

본 출원에서, 달리 명시하지 않는 한, 단수의 사용은 복수를 포함하여, "하나"는 "하나 이상"을 의미하고, 접속사 "또는"의 사용은 "및/또는"의 포괄적인 의미를 갖는다. 달리 명시하지 않는 한, 용어 "포함하는"("포함" 및 "포함한다"와 같은 다른 형식 또한)은 개방형이며 임의의 특별히 식별된 항목으로 제한하는 것을 의도하지 않는다. 달리 명시하지 않는 한, "요소" 또는 "구성요소"와 같은 용어는 단일 모듈뿐만 아니라 동일한 특성을 제공하는 다중 모듈 어셈블리 또는 하위 모듈을 포함한다.

상세한 설명

도 1은 무선 통신 네트워크의 기지국과 연관될 수 있는 다중 안테나의 예시적인 어레이(102)를 도시한다. 무선 통신 네트워크는 (LTE와 같은) 셀룰러 네트워크, (IEEE 802.11 표준 세트에 의해 제공되는 것과 같은) 무선 로컬 영역 네트워크, (IEEE 802.15 표준 세트에 의해 제공되는 것과 같은) 무선 개인 영역 네트워크 또는 여러 디바이스 사이의 양방향 통신을 지원하는 실제의 임의의 무선 통신 네트워크일 수 있다. 도 1은 또한 공간적으로 분산된 사용자 단말기(104)를 도시하며, 이 예에서는 스마트폰의 형태를 취한다. 기지국은 기지국의 효과적인 방송/감도 패턴에서 스티어링 가능한 빔포밍을 제공하기 위해 안테나의 어레이를 사용하고, 바람직하게는 각 사용자 단말기에 개별 빔(110)을 제공한다. 주어진 전력 등급에 대해 기지국의 범위를 확장하는 것에 추가하여, 빔포밍(beamforming)은 시스템의 스펙트럼 효율성(spectral efficiency)을 대폭 향상시키는 방식으로 공간 다이버시티를 향상시킨다.

적절한 빔포밍을 보장하기 위해, 기지국은 각각의 활성 사용자 단말기에 대한 채널 상태 정보(CSI)를 수집한다. 도 2는 시간 다중화, 주파수 다중화, 공간 다중화 또는 일부 다른 직교 방식의 업링크 신호 Y1, Y2, ... YK를 기지국(202)에 대한 안테나 어레이(102)로 제공하는 사용자 단말기(104) 세트를 나타낸다. 안테나 신호 X1, X2, ... XM는 채널 응답을 통해 업링크 신호와 연관된다. 임의의 주어진 주파수 빈(bin) i에서, 사용자 단말기 안테나 k로부터 기지국 안테나 m으로의 업링크 신호에 대한 채널 응답은 신호의 감쇠 및 위상 지연을 특정하는 복소 계수 H_up[m,k,i]로 나타낼 수 있다. C. Shepard 외, "Argos: Practical Many-Antenna Base Station” 의 섹션 3.3(MobiCom'12, 이스탄불, 터키, 2012년 8월 22-26일, argos.rice.edu/pubs/Shepard- MobiComl2.pdf에서 입수 가능)에서 제공된 바와 같이, 교정 계수 행렬(calibration coefficient matrix), C[m,i]는 먼저 기지국의 안테나가 상대적인 오프셋을 결정하기 위해 서로 송신함으로써 결정된다. 각 추정된 협대역 업링크 채널 계수 H_up[m,k,i]는 어레이에 걸친 임의의 일정한 타이밍 또는 위상 오프셋을 제거하기 위해 기지국 안테나 어레이 상의 기준 안테나로 정규화될 수 있고, 그 후 다운링크 채널 계수 H_dn[m,k,i]을 추정하기 위해, 정규화된 계수는 교정 계수와 결합된다. 그 후, Shepard의 섹션 2.2에 따라, 다운링크 채널 계수로부터 스티어링 변환이 도출된다. 활성 사용자 단말기에 대한 K 개의 다운링크 신호들에 적용될 때, 스티어링 변환은 M 개의 안테나-특정 다운링크 신호를 산출하는 KxM 복소-값 가중치 행렬의 형태를 취할 수 있다. (다수의 주파수 빈이 사용되는 경우, 가중치 행렬은 각 주파수 빈마다 다르다.) 스티어링 변환은 공개된 문헌에 기술되어 있는 공액법(conjugate method), 제로-포싱 방법(zero-forcing method), 최소 평균 제곱 오차(MMSE, minimum mean square error) 또는 임의의 다른 적절한 방법을 사용하여 결정될 수 있다.

제로-포싱 빔포밍(Zero-forcing Beamforming: ZFBF) 방법은 공간 스트림 사이의 간섭을 0으로 도출하며, 여러 상황에서 최적의 성능에 도달하는 반면, 사용자의 CSI가 충분히 직교하지 않을 때에는 비효율적일 수 있다(예를 들면, T. Yoo 및 A. Goldsmith, " On the optimality of multiantenna broadcast scheduling using zero-forcing beamforming ", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 24, 2006 년 3 월 및 E. Aryafar, N. Anand, T. Salonidis 및 E.W. Knightly, "Design and Experimental Evaluation of Multi-user Beamforming in Wireless LANs", in Proc. ACM MobiCom, Chicago, IL, 2010 년 9 월 참조). ZFBF는 H 행렬의 의사-역행렬(pseudo-invers)의 계산을 수반한다:

W=(H ^H H)^-1 H ^H

여기에서 위 첨자 H는 행렬 공액 전치(matrix conjugate transpose)를 나타낸다. 송신기가 완벽한 ZFBF 가중치 W를 선행할 때, 신호는 수신기에서 무선 채널의 영향을 이상적으로 상쇄하여, 각 사용자가 자신의 독립적인 스트림을 수신할 수 있게 한다. 반면, W = H ^H 인 가중치로서 단순히 채널 행렬의 공액을 사용하는 공액(최대 비율 전송이라고도 함) 결합은 사용자 사이의 간섭을 제거하지 않지만 그럼에도 불구하고 빔이 좁아지고 강해져 사용자 사이의 간섭이 상대적으로 낮아지는 것을 야기하여, 대규모 MIMO 시스템에서 사용하기에 적절할 수 있다. (제로-포싱은 일반적으로 공액의 성능을 능가하지만, 계산하는 것이 완전히 비현실적인 것은 아니더라도, 많은 수의 사용자에 대해서는 훨씬 더 부담이 된다.) 이들 및 다른 연관된 MU-MIMO 무선 채널 부호화 기술은 다중 안테나를 갖춘 기지국이 별개의 사용자 단말기에게 동시에 데이터 스트림들을 전송할 수 있도록 하며, 데이터 레이트를 스케일링하기 위해 기지국 어레이 내의 안테나의 수로 공간 다이버시티를 활용한다.

공간 다이버시티를 가능하게 하는 것에 추가하여, CSI는 또한 사용자 그룹화(예를 들면, J. Mao, J. Gao, Y. Liu 및 G. Xie, " Simplified semi-orthogonal user selection for MU-MIMO systems with ZFBF", Wireless Communications Letters, IEEE, vol.1, no. 1, pp. 42-45, 2012에 제공된 것과 같이) 및 셀간 간섭 완화(예를 들면, M. Rahman 및 H. Yanikomeroglu, “Enhancing cell-edge performance: a downlink dynamic interference avoidance scheme with inter-cell coordination", Wireless Communications, IEEE Transactions on, Vol.9, No.4, pp.1414-1425, 2010에 제공된 것과 같이)에 유용하다.

협대역 업링크 채널 계수 H_up[m,k,i]를 추정하기 위한 측정 프로세스는 일반적으로 "채널 사운딩(channel sounding)"으로 지칭되며, 여러 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, IEEE 802.11af는 사용되지 않는 UHF TV 대역 공백(TVWS, Television-band White Space) 채널에서 동작하기 위한 Wi-Fi의 표준 수정안이다(예를 들면, A.B. Flores, R.E. Guerra, E.W. Knightly, P. Ecclesine, 및 S. Pandey, "IEEE 802.11af : a standard for TV white space spectrum sharing", IEEE Communications Magazine, vol, 51, no. 10, pp. 92-100, 2013에서 기술된 바와 같이). 이 수정안에서, 표준은 또한 IEEE 802.11ac의 MU-MIMO 기능(예를 들면, IEEE Std 802.11ac-2013, "Amendment 4: Enhancements for very high throughput for operation in bands below 6 GHz", 2013에서 제공된 바와 같이)을 사용할 수 있다. 여기에서, 다운링크 CSI는 어레이의 각 안테나로부터 각 사용자 단말기로 사운딩 패킷을 전송하고, 사용자 단말기가 다운링크 채널 계수를 측정하고 제어 프레임에서 측정치를 기지국으로 전송할 수 있게 함으로써 명시적으로 획득된다(예를 들면, IEEE Std 802.11af-2013, "Amendment 5; Television white spaces (tvws) operation", 2013에서 제공되는 바와 같이). 안타깝게도, 이 사운딩 방법에 의해 요구되는 오버헤드는 기지국 안테나의 수(M) 및 사용자 단말기 안테나의 총 수(K)에 비례하여 증가하여 이 오버헤드가 달성 가능한 처리량 이득을 심각하게 감소시킬 수 있다(예를 들어, X. Xie, X. Zhang 및 K. Sundaresan, "Adaptive feedback compression for MIMO networks", in Proc. ACM MobiCom, pp.477-488, 2013 및 O. Bejarano, E. Magistrettl, O. Gurewltz 및 E. Knightly, "MUTE: Sounding Inhibition for MU-M1MO WLANs ", Proc. ACM SECON, 2014 참조).

여기에서 우리는 명시적 채널 사운딩의 완전한 제거를 제안하며, 대신 데이터 또는 제어 프레임인지 여부에 관계없이 각 수신된 업링크 전송으로부터 암시적으로 CSI가 추정되는 순전히 기회론적(opportunistic) 채널 사운딩에 가능한 한 많이 의존한다. 각 업링크 프레임이 이미 그 프리앰블에 훈련 시퀀스를 갖는 패킷 헤더를 포함하기 때문에(예를 들어, 802.11af의 TVHTLTF), 기지국이 다운링크 CSI를 추정하기 위하여, 예를 들어, 데이터 프레임, ACK 및 관리 프레임을 포함하여, 사용자 단말기로부터 기지국으로의 모든 업링크 수신을 사용한다. 이 접근법은 UHF 대역의 유용한 특성을 이용한다: 이 대역은 높은 다중 사용자 다이버시티를 유지하면서 100ms 정도로 매우 안정적일 수 있다(예를 들어, N. Anand, R.E. Guerra 및 E.W. Knightly, " The Case for UHF-band MU-MIMO " in Proc. ACM Intl. Conf. on Mobile Computing and Networking(MobiCom), Maui, HI, 2014 년 9 월 참조). 만약 채널이 업링크 전송 간에 충분히 변하지 않는 채로 유지된다면, 이러한 기회론적 접근법은 CSI 사운딩 오버헤드를 제거한다.

기회론적 사운딩은 적어도 4 가지 동작 상황에서 유익하다: (i) 이전의 업링크 송신으로부터 CSI를 획득하는 것으로 인한 빔포밍 에러를 무시할 수 있을 정도로 채널 상태가 충분히 안정적이다; (ⅱ) 레거시(legacy) 802.11 사용자 단말기가 빔포밍 요청에 응답할 수 없으며 그렇지 않으면 전체 공간 다이버시티를 활용할 수 없다; (ⅲ) 암시적 채널 추정조차도 상당한 오버헤드를 생성하도록 공간 스트림의 수가 증가한다; 및 (ⅳ) MCS(Modulation and Coding Scheme)는 충분히 높은 차수로, 채널 사운딩 오버헤드로 인해 낭비되는 임의의 통신 시간(airtime)에 부과하는 상대적으로 고가이고, 시나리오 (ⅱ)는 레거시 802.11 장비, 그렇지 않으면 다중 사용자 모드를 지원하는 장비로 스펙트럼 효율적인 다중 사용자 모드에서 작동하기 위해 다중 사용자 성능을 갖는 새로운 802.11 기지국이 가능하기 때문에 특히 중요하다

기회론적 사운딩의 주요 성능 요소를 탐색하기 위하여, WARPv3 SDR 플랫폼(예를 들면, warpproject.org에서 입수 가능)에 대한 사용자 정의(custom) MIMO SDR 프런트엔드를 사용했다. 이 플랫폼은 사용자 단말기 또는 환경적 이동성이 존재하는 경우에도 기회론적 사운딩을 통해 다중 사용자 UHF 채널의 특성을 가능하게 하며, 사용자 정의 SDR 하드웨어는 원래 고속 모바일 암시적 다중 사용자 채널 측정을 위해 설계된, 수정 SDR 채널 사운딩 프레임워크를 구현한다(예를 들어, C. Shepard, A. Javed 및 L. Zhong, "Control Channel Design for Many-Antenna MU-MIMO", in Proc. ACM MobiCom, New York, NY, pp. 578-591, 2015에서 제공된 것과 같이). 텍사스주 휴스턴에서 UHF 채널에서 실험 장비를 작동시키고, CSI 오버헤드와 관련하여 MU-MIMO 빔포밍 성능을 분석하기 위하여 다양한 이동성 시나리오에서 일련의 실내 및 실외 측정 캠페인을 수행하기 위해 실험용 무선 라이센스 WH2XJV 및 WJ9XFF가 획득되었다.

우리는 UHF 스펙트럼을 사용하는 고정 무선 노드가 환경 및 정적 이동성 시나리오에서 장기간 안정적인 CSI를 나타냄을 발견했다. (2.4 GHz 및 5 GHz 스펙트럼 또한 유사한 안정성을 나타내는 것으로 밝혀졌다.) 결과적으로, 적은 수의 공간 스트림으로, 지연된 CSI을 사용하여 측정된 빔포밍 비효율성을 고려한 경우에도, CSI 수집 오버헤드의 감소로 인해 활성 및 기회론적 암시적 사운딩 정책의 성능이 현재 802.11af 프로토콜의 성능을 크게 앞서는 것을 발견하였다. 우리는 우리의 분석을 확장하여 더 많은 공간 스트림을 이용한 기회론적 암시적 사운딩이 더 많은 이점을 제공하여, 상용 기지국에서 현재 최대 8 개 안테나보다 더 많은 안테나를 사용하는 미래 시스템을 지원할 수 있음을 보여준다.

명시적 채널 사운딩과는 달리, 암시적 채널 사운딩은, 다운링크에서 CSI를 추정하는 것은 업링크 방향에서 CSI를 추정하는 것과 동일하고 그 반대도 마찬가지가 되도록, 송신기와 수신기 사이의 물리적 채널이 본질적으로 상호적이라는 가정에 의존한다. 정확한 어레이 상호성(reciprocity) 계산은 C. Shepard, H. Yu, N. Anand, E. Li, T. Marzetta, R. Yang 및 L. Zhong의 "Argos: Practical many-antenna base stations"(in Proc. ACM MobiCom, 이스탄불, 터키, 2012년 8월)에 기술되어 있으며, 다운링크 및 업링크 채널 추정 사이의 상호 정보의 실험적 시연은 M. Guilaud 및 F. Kaltenberger의 "Towards practical channel reciprocity exploitation: Relative calibration in the presence of frequency offset"(in Proc. IEEE WCNC, pp. 2525-2530, 2013)에 의해 제공된다. 따라서, 우리는 업링크 채널 추정으로 우리의 목적을 위해 다운링크 채널을 추정하기에 충분하다고 가정하고, 모든 새로운 기지국이 상호성 교정(reciprocity calibration)을 수행하고 암시적 채널 추정을 제공할 수 있는 능력을 가져야 한다고 제안한다.

도 3a는 암시적 CSI 측정 오버헤드를 나타내는 링크-시간 그래프이다. 오버헤드는 (1) 기지국이 사용자 단말기로 제어 프레임을 브로드캐스팅하고, 스케줄링하는 (2) 각 사용자 단말기로부터 스태거드(staggered) 널 데이터 패킷(NDP, Null Data Packet) 업링크 신호를 포함한다. NDP의 내용이 사전 결정되므로, 기지국은 업링크 CSI 계수를 도출하기 위해 업링크 신호를 NDP와 상관시킬 수 있으며, 이로부터 다운링크 CSI 계수가 결정되고 스티어링 변환 결정을 위해 사용될 수 있다. 암시적 CSI 측정은 각 사용자 단말기로부터 측정되고 통신되어야 하는 각 기지국 안테나에 대한 CSI 계수를 요구하고, IEEE Std 802.llaf-2013에 의해 제공되는 바와 같이 추가적인 폴링 및 채널 예약이 필수적인, 명시적 채널 사운딩에 비해 오버헤드의 감소를 제공한다. 명시적 사운딩 오버헤드가 O(MK)로 스케일링되는 반면, 암시적 사운딩 오버헤드는 M 개의 기지국 안테나가 병렬로 사운딩되므로 O(K)로 스케일링된다.

암시적 채널 사운딩의 이점은 활용되는 프로토콜 및 무선 구성은 물론 노드/환경 이동성에 따라 다르다. 예를 들어, 높은 이동성으로 인해 무선 채널이 급속히 변하는 경우, 정확한 CSI를 얻기 위해 암시적이든 명시적이든 관계없이 빈번한 채널 사운딩이 요구될 것이다. 이러한 환경에서 채널 추정의 정확성을 유지하는 것을 보장하기 위하여 다중 사용자 암시적 사운딩 메커니즘(예를 들어, H. Lou, M. Ghosh, P. Xia 및 R. Olesen, "A comparison of implicit and explicit channel feedback methods for MU-MIMO WLAN systems", IEEE PIMRC, pp. 419-424, 2013에서 분석된 메커니즘)과 같은, 프로토콜 오버헤드를 발생시키는 패킷별 채널 사운딩 메커니즘이 필요할 수 있다.

그러나, 예를 들어, 이동성의 제한 또는 부족으로 인해, 무선 채널이 긴 시간 동안 일관성을 유지하는 경우, 현재의 MU-MIMO 전송에 대해 이전에 수집된 CSI에 의존하는 것이 가능하게 된다. 실제적으로, 이러한 환경은 서브-GHz 반송파 주파수를 이용하는 무선 네트워크, 예컨대 TVWS 네트워크 및 특정 고정 Wi-Fi 네트워크에 존재한다. (노드 이동성이 없는 경우, 유사한 채널 안정성이 2.4GHz 및 5GHz 대역에서도 관찰되었다.) 이러한 환경에서는 CSI 오버헤드가 데이터 처리량을 불필요하게 감소시킬 수 있으며, 따라서 본원에서 기회론적 전략이 제안된다.

도 3b는 채널 사운딩 오버헤드를 모두 회피하는 기회론적 암시적 CSI 측정을 나타내는 링크-시간 그래프이다. 정규 통신 활동 동안, 다양한 사용자 단말기가 패킷(데이터 및 제어 프레임을 포함함)을 기지국에 송신한다. 패킷 헤더 및 프레임 마커는 각각 등화기(equalizer) 훈련 및/또는 타이밍 동기화를 위해 알려진 패턴을 포함한다. 기지국은 수신된 신호의 관련 부분을 알려진 패턴과 상관시킴으로써 CSI 추정치를 도출하고, m, k 및 i의 각 조합에 대한 (즉, 기지국 안테나, 사용자 단말기 안테나 및 주파수 빈의 함수로) 가장 최근의 CSI 추정치를 메모리에 유지한다. 시기(즉, 추정치가 획득된 이후의 경과 시간) 또한 추적된다. 추정된 모든 CSI의 시기가 채널의 일관성 시간(coherency time)보다 작은 동안, 오버헤드를 전혀 발생시키지 않고, 사용자를 그룹화하고, 스티어링 변환을 결정하고, 셀간 간섭을 완화하기 위해 필요한 바에 따라, 사용될 수 있다. 따라서, 도 3b에서, 기지국이 다양한 사용자 단말기로 전송될 다운링크 데이터를 가질 때, 스티어링 변환은 (1)에서 동시에 계산되고 사용될 수 있다. 사용자 단말기로부터의 다양한 ACK(acknowledgement) 패킷 응답은 후속 다운링크 통신과 함께 사용하기 위해 메모리를 업데이트하는 데 사용되어야 하고 측정되어야 하는, 업링크 CSI 계수를 위한 또 다른 기회를 제공한다.

임의의 사용자 단말기에 대한 CSI 추정의 시기가 너무 오래된 (즉, 추정된 CSI가 더 이상 "새로운 것"이 아닌) 것으로 결정되면, 기지국은 ACK 응답을 트리거하거나 주기적인 NDP를 스케줄링하기 위해 그 사용자 단말기에 대한 타겟 통신을 개시할 수 있고, 그 중 하나가 그 사용자 단말기에 대한 CSI 추정을 업데이트하는데 사용될 수 있다. 만약 기지국과 사용자 단말기 사이의 실질적인 데이터 통신 없이 너무 많은 시간이 경과하면, 기지국은 사용자 단말기를 비활성으로 지정하고 이를 스티어링 변환으로부터 제거할 수 있다. 이러한 폐기 정책(retirement policy)은 강제 CSI 리프레시에 대한 오버헤드가 낮게 유지되도록 하여, 기회론적 암시적 CSI에 대한 오버헤드가 0(1)으로 스케일링되고, 기지국 안테나 및 사용자 단말기 안테나의 수와는 대체로 독립적으로 유지되게 한다.

802.11af 네트워크를 위한 UHF 채널이 상대적으로 오랜 시간 동안 안정적으로 유지될 수 있다고 가정할 때, 그 추정치는 다수의 패킷 타임스케일에 걸쳐 유효하게 유지되기 때문에, 우리는 채널 사운딩을 전적으로 회피하고 다운링크 채널을 추정하기 위해 수신된 업링크 전송 내의 표준 물리 계층 수렴 절차(PLCP, physical layer convergence procedure) 프리앰블(PLCP 프로토콜 데이터 유닛의 패킷 헤더, 또는 PPDU)를 수신하는 것을 목표로 한다.

요약하면, 이력 암시적 CSI가 이용 가능하고 새로운 것일 때, 기지국은 사용자 그룹을 형성하고 MAC 스케줄러에 의해 결정되는 최적의 다중 사용자 전송 그룹 각각에 대해 프리코딩 가중치를 계산한다. 암시적 CSI가 특정 사용자 단말기에 대해 이용 가능하지 않거나 오래된(stale) 경우, 두 가지 방법 중 하나가 사용될 수 있다. 1) 오래된 사용자 단말에 대한 단일 다운링크 프레임은 대기열에서 삭제되고 MISO 전방향성 송신을 사용하여 기지국에 의해 송신된다; 다음으로 후속 ACK 응답이 해당 사용자 단말기에 대한 암시적 CSI의 업데이트를 가능하게 할 것이다. 2) 대안적으로, 기지국은 트래픽이 이용 가능하지 않으면 레거시 암시적 사운딩 방법으로 폴백(fall back)할 수 있다.

802.11af 시스템에서 이러한 기회론적 사운딩 정책의 실현 가능성을 결정하기 위하여, 우리는 일련의 실내 및 실외 다중 사용자 채널 추적을 측정하고 기회론적 CSI에 대한 정책 상충 관계를 이해하기 위한 프로토콜 분석을 수행했다. 측정은 도 4에 나타난 것과 유사한 기지국 설계를 사용하여 수행되었다. 호스트 시스템 버스(402)는 시스템 브리지(406)(및 시스템 브리지, 하나 이상의 프로세서 코어(404) 및 시스템 메모리(405)를 통해)를 무선 네트워크 인터페이스 유닛(416)의 정보 저장 모듈(408), 주변기기 제어기(410), 유선 네트워크 인터페이스 카드(412) 및 중앙 제어기(414)로 연결한다. 버스(402), 코어(404), 메모리(405), 브리지(406), 저장 모듈(408), 주변기기 제어기(410), 및 네트워크 인터페이스 카드(412)는 서버 컴퓨터, 임베디드 컴퓨터 시스템 및 데스크탑 컴퓨터를 포함하는 많은 종류의 상업적으로 이용 가능한 컴퓨터의 공통 구성 요소이다.

정보 저장 모듈(408)은 데이터 및 소프트웨어의 비휘발성 저장을 제공하며, 플래시 메모리, 솔리드 스테이트 디스크, 광학 디스크, 자기 매체 또는 다른 컴퓨터 판독 가능 매체의 형태를 취할 수 있다. 시스템을 부팅할 때, 프로세서 코어(들)(404)은 소프트웨어 명령어를 검색하고 이를 시스템 메모리(405) 및/또는 고속 액세스를 위한 캐시에 저장한다. 소프트웨어는 하드웨어의 사용을 용이하게 하는 동시에 무선 네트워크 기지국의 기능을 구현하기 위해, 예를 들어 무선 네트워크 인터페이스 유닛(416)을 구성 및 제어하는 소프트웨어와 같은 애플리케이션을 위한 표준화된 인터페이스를 제공하는 하드웨어 드라이버, 운영 체제 계층을 포함할 수 있다. 그러한 기능들 중에는 유선 네트워크(네트워크 인터페이스 카드(412)를 통한)와 무선 네트워크 사이의 데이터 스트림 전송 및 수신의 전달이 있을 수 있다.

적어도 일부 실시예에서, 무선 네트워크 인터페이스 유닛(416)의 중앙 제어기(414)는 데이터 프레임의 우선 순위 및 순서를 포함하여 IEEE Std. 802.11의 매체 액세스 제어(MAC) 기능을 구현하기 위해 (예를 들어, 펌웨어를 통해) 프로그래밍된 범용 프로세서 또는 프로그래밍 가능한 디지털 신호 프로세서의 형태를 취한다. 중앙 제어기는 활성 사용자 단말기에 대해 K 개의 동시(concurrent) 다운링크 데이터 스트림을 전송하고 K 개의 동시 업링크 데이터 스트림을 수신한다.

허브(418)는 K 개의 다운링크 데이터 스트림을 처리하여 M/2 개의 리프 노드(420)의 각각에 분배하며, 각 리프 노드(420)는 2 개의 독립 안테나(102)에 대한 트랜시버를 포함한다. (리프 노드 당 2 개의 안테나의 사용은 단지 예시적이며 이 개시의 범위를 제한하지 않는다. 이기종(heterogeneous) 조합을 포함하여, 리프 노드 당 더 적거나 더 많은 안테나를 갖는 구현이 고려된다.) 허브(418)는, 등화되고 중앙 제어기(414)의 K 개의 업링크 데이터 스트림을 추출하기 위해 디코딩되는, K 개의 업링크 신호를 형성하기 위해 리프 노드(420) 각각으로부터 디지털 수신 신호들을 더 집계한다. 허브(418)에 의해 구현되는 업링크 및 다운링크 프로세싱은 K 개의 "상위 PHY" 모듈의 세트로서 도 4에 도시된다. 적어도 일부 실시예에서, 허브(418)는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA, field programmable gate array)의 형태를 취하고 있지만, 물론 주문형 집적 회로(ASIC, application specific integrated circuit) 또는 충분히 병렬 프로그램 가능한 프로세서가 대안적으로 사용될 수 있다.

리프 노드(420) 각각은 K 개의 동시 다운링크 데이터 스트림을 수신하고, 트랜시버를 통해 적절한 안테나로 전달되는 안테나-특정 신호를 도출하기 위해 스티어링 변환 가중치를 적용한다. 각 안테나 트랜시버로부터, 리프 노드(420)는 하나의 안테나-특정 업링크 신호를 수신하고, 이는 각각의 K 개의 업링크 신호에 대한 안테나-특정 기여도를 결정하기 위해 적절한 스티어링 변환 가중치에 의해 처리되고 가중된다. 도시된 리프 노드(420)는 2 개의 독립 안테나에 대한 트랜시버를 포함하며, 선택적으로 트리 또는 데이지 체인(daisy-chain) 배열로 구성된다. 안테나-특정 기여도가 결정됨에 따라, 다음 허브를 향해 전방으로 합 또는 평균을 전달하기 전에, 로컬 안테나에 대한 기여도가 함께 더해지고, 허브(418)로부터 말단 방향으로 리프 노드로부터 수신된 임의의 누적된 기여도에 더해진다. 이러한 애드-앤드-패스(add-and-pass) 접근법은 리프 노드 사이의 연결에 의해 처리되는 디지털 수신 신호의 수를 K로 일정하게 유지시킨다. 허브는 완전 누적된 K 개의 업링크 신호를 얻기 위한 최종 가산을 수행할 수 있다.

리프 노드(420)에 의해 구현되는 업링크 및 다운링크 프로세싱은 M 개의 "하위 PHY" 모듈(리프 노드 당 2 개)의 세트로 도 4에 도시된다. 도 5는 예시적인 상위 PHY 모듈 및 하위 PHY 모듈이 각 트랜시버 및 안테나에 대한 송신 및 수신 체인을 제공하기 위해 협력하는 방법을 도시한다.

K 개의 다운링크 데이터 스트림 각각에 대해, 예시적인 상위 PHY 전송 모듈(510)은 스크램블러(512), 순방향 에러 정정(FEC, forward-error-correction) 인코더(514) 및 인터리버(516)를 구현한다. 데이터 스트림을 이진 마스크로 배타적 논리합(exclusive-OR)함으로써, 스크램블러(512)는 데이터 스트림 내의 비트 패턴을 랜덤화하며, 이는 일반적으로 FEC 및 등화 방식의 성능을 향상시킨다. FEC 인코더(514)는 일반적으로 코드워드의 데이터 부분과 함께 식별 및/또는 정정될 검출 에러가 가능하게 하는 이른바 "패리티 심볼"을 주기적으로 삽입함으로써 다운링크 데이터 스트림에 리던던시(redundancy)를 부가한다. 다음으로 인터리버(516)는 이전에 인접한 심볼들 사이에 확대된 분리를 제공하는 전략적 방식으로 코드워드 심볼을 재정렬한다.(이 동작이 수신 체인에서 역전(reverse)될 때, 임의의 집중된 에러 버스트는 고립된 심볼 에러로 변환되는 경향이 있으며, 이는 대부분의 FEC 디코더에 의해 더 알맞게 취급된다.) 인터리버(516)에 의해 출력된 다운링크 데이터 스트림은 K 개의 상위 PHY 전송 모듈(510)로부터 M 개의 하위 PHY 모듈(520)로 제공되는 K 개의 데이터 스트림 중 오직 하나이다.

M 개의 예시적인 하위 PHY 전송 모듈(520) 각각은 K 개의 다운링크 데이터 스트림을 수용하고, 매퍼(522), 빔포머(524), 역 고속 푸리에 변환(IFFT) 모듈(526) 및 사전-등화 필터(528)를 구현한다. 매퍼(522)는 K 개의 다운링크 데이터 스트림으로부터 K 개의 주파수 빈 계수 세트를 대응하는 비트로 매핑한다. 각 주파수 빈에 매핑되는 비트 수는 채널 응답 및 잡음의 스펙트럼에 기초하여 최적화될 수 있다. 빔포머(524)는 연관된 안테나에 대한 스티어링 변환 가중치를 주파수 빈 계수에 적용한다. IFFT 모듈(526)은 주파수 계수들의 세트를 다운링크 신호 샘플의 시간 영역 세트로 변환한다. 사전-등화 필터(528)는 채널 응답을 적어도 부분적으로 사전-보상하기 위해 다운링크 신호 샘플을 필터링하여, 수신된 신호가 감소된 샘플 간 간섭을 나타낼 수 있게 한다. 필터(528)에 의해 출력된 다운링크 신호는 디지털에서 아날로그로 변환되고 (그리고 선택적으로 아날로그 필터로 정리되어), M 개의 하위 PHY 송신 모듈(520)로부터 M 개의 트랜시버(530)로 제공되는 M 개의 다운링크 신호 중 오직 하나가 된다.

M 개의 예시적인 트랜시버(530) 각각은 안테나(538) 상에 다운링크 신호를 도입하기에 충분한 전력을 공급하는 드라이버(532)로 다운링크 신호를 받아들인다. 드라이버(532)는 안테나(538)을 통해 수신되는 임의의 업링크 신호로부터 다운링크 신호를 분리하는 방향성 결합기(534) 또는 하이브리드에 의해 안테나(538)에 연결된다. 저잡음 증폭기(LNA)(536)는 안테나-특정 업링크 신호를 증폭하고 아날로그-디지털 변환(선택적으로 신호대 잡음비를 향상시키기 위한 사전 변환 아날로그 필터를 사용) 및 하위 PHY 수신 모듈(540)로의 안테나-특정 업링크 신호 샘플 제공을 위해 증폭된 업링크 신호를 공급한다.

M 개의 예시적인 하위 PHY 수신 모듈(540) 각각은 M 개의 안테나-특정 업링크 신호 중 하나를 받아들이고, 필터(542), 고속 푸리에 변환(FFT) 모듈(544), 및 빔포머(546)를 구현한다. 필터(542)는 채널 응답을 단축하도록 작동할 수 있다. FFT 모듈(544)은 샘플링된 업링크 신호를 한 세트의 안테나-특정 주파수 계수의 세트로 변환한다. 빔포머(546)는 K 개 세트의 업링크 신호 주파수 계수를 생성하기 위해 스티어링 변환 가중치를 안테나-특정 주파수 계수에 적용한다. 하위 PHY 수신 모듈(540)에 의해 출력된 K 개 세트의 계수는 M 개의 하위 PHY 수신 모듈에 의해 출력되고 누적된 업링크 계수 세트가 허브에 전달됨에 따라 누적된 세트 중 하나이다.

허브에서, K 개의 예시적인 상위 PHY 수신 모듈(550) 각각은 누적된 주파수 계수의 세트 중 하나를 수신하고, 등화기(551), 디매퍼(552), 디인터리버(554), FEC 디코더(556) 및 디스크램블러(558)를 구현한다. 등화기(551)는 누적된 주파수 계수 세트에 대한 스펙트럼 조정을 수행한다. 디매퍼(552)는 주파수 계수로부터 비트를 추출하여, 업링크 데이터 스트림을 재구성한다. 디매퍼(552)는 FEC 디코딩 프로세스를 보조하기 위해 재구성된 데이터 스트림의 심볼에서 해상도의 하나 이상의 여분의 비트를 보존하는 "소프트" 디매퍼일 수 있다. 디인터리버(554)는 인터리버(516)의 동작을 역전시킴으로써 임의의 에러 버스트를 분산시킨다. FEC 디코더(556)는 심볼 에러를 검출하고 정정하기 위해 인코딩 프로세스 동안 부가된 리던던시를 사용하여 업링크 데이터 스트림에 대해 동작한다. 디스크램블러(558)는 스크램블러(512)의 동작을 역전시킴으로써, 업링크 데이터 스트림의 재구성된 버전을 전달한다.

필터(528 및 542)는 적응형일 수 있거나, 예를 들어 훈련 시퀀스, 프레임 마커 또는 패킷 헤더 내의 다른 소정의 필드와 같은 알려진 데이터 패턴의 분석으로부터 도출된 업링크 및 다운링크 채널 응답 추정치에 기초하여 설정될 수 있다. 이러한 채널 응답 추정은 단독으로 또는 중앙 제어기(414)와 협력하여 하위 PHY 수신 모듈(540)에 의해 수행될 수 있다.

다중 모바일 사용자 단말기를 갖는 MU-MIMO 환경에서 시스템 성능을 예측하기 위해, 우리는 PCT/US16/29077, "Control Channel Design for Many-Antenna MU-MIMO Systems"에서 기술된 제어 채널 기술을 사용하여 위에서 설명한 하드웨어 플랫폼에서 사용하도록 적응된 바에 따라 측정을 수행했다. 우리는 채널이 사운딩하는 시점과 최종적으로 빔포밍된 전송이 일어나는 시점 사이의 시간 간격의 영향에 집중했다. 우리는 이 시간을 "사운딩-전송 간격(Sounding-Transmission Interval)" 또는 S-T 간격으로 지칭한다. S-T 간격이 증가함에 따라, 제로-포싱 스티어링 변환이 사용될 때, 사운딩된 CSI와 실제 채널 응답 사이에 차이가 발생하여, 원하는 신호 강도가 감소될 뿐 아니라, 사용자 단말기 사이의 스트림 간 간섭이 발생한다. 모바일 환경에서, 증가된 CSI 오류로 인하여, 더 큰 S-T 간격이 더 높은 스트림 간 간섭을 야기할 가능성이 높고 따라서 SINR(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio)이 낮을 가능성이 높다. 따라서 기회론적 기지국이 캐싱하였거나, 상이한 시간에 만들어진 이전의 업링크 전송으로부터 얻은 CSI를 캐싱하였거나 "오래되게" 하였을 수 있으므로, S-T 간격은 기회론적 암시적 사운딩의 성능을 이해하는 데 중요하다. 이 CSI를 사용하기 위해, 기지국은 그 오래된 CSI를 이용하여 미래의 빔포밍 송신에 관한 결정을 내려야 한다.

한편, 암시적 또는 명시적 기지국은 다중 사용자 패킷의 시작과 동시에 모든 CSI를 리프레시하여 S-T 간격을 0에 가깝게 산출한다. S-T 간격의 길이에 따라, 기회론적 시스템은 불필요한 사운딩 오버헤드로 인한 큰 비효율성 또는 오래된 CSI로 인한 성능 저하를 보일 수 있다. CSI의 기회론적 수집을 에뮬레이션하기 위해, 우리는 단일 사용자 단말기의 CSI에서의 드리프트가 다수의 다른 사용자 단말기를 포함하는 미래의 빔포밍된 전송의 성능에 어떻게 영향을 미칠지를 특징 짓는다. 우리는 증가하는 S-T 간격의 함수로 다중 사용자 달성 가능 레이트를 모델링하는 것으로 시작한다. 우리의 평가 방법론은 채널 상호성의 가정에 의존한다. 우리는 먼저 N. Anand, R.E. Guerra, 및 E.W. Knightly의 "The Case for UHF band MU-MIMO"(Proc. ACM Conf. on Mobile Computing and Networking, 마우이, 2014)에 기술된 Argos-WURC 시스템을 사용하는 4 개의 단일 무선 사용자 단말기를 갖는 8x4 MU-MIMO 시스템의 일련의 업링크 채널 트레이스를 기록했다. 이 시스템은 2.5 또는 5ms의 정기적인 샘플링 간격으로 1 분 동안 다중 사용자 CSI를 기록하는 데 사용된다. 다음으로 우리는 채널 트레이스의 변화가 무선 하드웨어보다는 물리적인 MIMO 채널의 변화에 의해서만 야기되고 다운링크 대신에 업링크 채널의 경험적 용량을 사용한다고 가정한다. 앞에서 살펴본 바와 같이, 정확한 상호성 교정이 수행되고 간섭이 동일할 때, 한 방향의 채널 용량은 다른 방향과 동일하다.

6 가지 상이한 실험이 각각: 벽과 복도 사이의 거리가 50m 미만인 비가시선(non-line-of-sight) 전파가 있는 실내 오피스 빌딩 환경; 또는(ⅱ) 여러 나무와 덤불 사이로 직접 최대 200 m의 비가시선(non-line-of-sight) 전파가 있는 실외의 두껍게 숲이 우거진 환경에서 수행되었다. 테스트된 환경은 정적(의도적인 이동성이 없지만 고정 사용자 단말기 주위를 걷는 보행자와 같은 환경적 움직임이 있음) 및 모바일(하나 또는 두 개의 사용자 단말기를 보행자가 실제로 휴대하고 있음)이었다.

P_jk는 사용자 단말기 k에서 수신된 공간 스트림 j의 신호 전력을 나타낸다. 만약 w_km ∈ W가 기지국 안테나 m으로부터 사용자 단말기 k 로의 스티어링 변환 가중치 계수이고, h_mk ∈ H가 전송 순간의 대응하는 순간 MIMO 채널 계수라고 가정하면, 사용자 단말기 k에서의 경험적 전송 SINR을 다음과 같이 계산할 수 있다:

공지의 Shannon-Hartley 정리를 사용하여, 빔포밍된 채널의 경험적으로 달성 가능한 레이트를 R_k = log₂(1 + SINR_k)로 계산한다.

사용자 단말기가 정적인 경우, S-T 간격이 커짐에 따라 빔포밍 성능에 최소한의 손실이 있음을 관찰할 수 있다. 대체로 정적인 환경에서는 CSI의 변화가 전혀 없거나 거의 없을 것으로 예상되지만, 예상치 못한 결과는 환경 이동성으로서, 동일한 복도에서 보행자가 걷고 있는 비가시선 환경에서조차, 평균 빔포밍 레이트에 유의한 영향을 미치지 않았다. 사용자 단말기를 지나치는 보행자에 따라 빔포밍 성능이 떨어지는 것을 관찰했지만, 이러한 방해는 짧고 순간적이었으며 평균 레이트에 거의 영향을 미치지 않아, 보행자가 지나간 후에 높은 레이트로 돌아왔다. 1 초의 S-T 간격에서도, 시스템은 사용자 단말기 평균 용량에 대한 최소한의 방해가 관찰될 만큼 충분히 빠르게 리사운드하는 것이 관찰되었다.

한편, 사용자 단말기 자체가 유동적이 될 때, 대략 20 ms의 S-T 간격 후에 모바일 사용자 단말기의 달성 가능 용량은 빠르게 떨어졌다. 이것은 모바일 사용자 단말기에 대한 수십 개의 패킷의 시간 스케일을 나타내며, 충분한 업링크 트래픽이 이용 가능할 때, 기회론적 사운딩 기지국은 20 ms 정도의 S-T 간격을 갖는 모바일 노드에 대해서도 15 % 이내의 이상적인 사용자당 빔포밍 성능을 모바일 노드에 제공할 것이다. 환경적 이동성만으로는, 이상적인 빔포밍 성능의 15 %는 수 초 정도의 S-T 간격으로도 달성될 수 있다.

숲이 우거진 환경에 대한 우리의 결과는 S-T 간격이 증가함에 따라 실내 환경과 유사하다; 실외 ZFBF 시스템의 평균 지원 용량은 정적 사용자 단말기의 경우 느리게 감소하고 모바일 사용자 단말기의 경우 더 빠르게 감소한다. 눈에 띄는 차이점은 실외 모바일 노드에 대한 S-T 간격 브레이크 포인트는 약 50ms에 나타나는 한편 실내 테스트에서는 약 20ms에 있는 것이다. 이는 비가시선이지만, 다중 경로 반사체가 적어서 사용자 단말기의 이동에 따른 채널 변화가 적은 실외 환경과 일치한다. 우리는 측정된 빔포밍 용량에 기초하여, 8 x 4 제로-포싱 시스템에서 고정된 사용자 단말기에 이상적인 사용자별 빔포밍 용량의 15 % 이내를 달성하기 위하여 1초까지의 S-T 간격, 또는 모바일 사용자 단말기에 이상적인 빔포밍 용량의 20 % 이내를 달성하기 위해 20 ms의 의 S-T 간격이 허용될 수 있음을 확인했다.

우리는 또한 특정 성능 수준을 달성하기 위해 고정된 S-T 간격을 사용하는 것의 효율성을 평가했다. 고정 무선 802.11 장비의 공급 업체는 장거리 효율성과 QoS를 높이기 위해 IEEE Std 802.11 DCF MAC을 시분할 다중 접근(TDMA) 대체품으로 교체하고 있으며 주어진 S-T 간격으로 기회론적 CSI를 사용할 수 있음을 보장할 수 있다. 8x4 제로-포싱 시스템에서 고정된 리사운딩 간격을 갖는 3 개의 사용자 단말기의 달성 가능 레이트가 측정되었다. 예상대로, 복도에서 보행자 속도로 운반되는 모바일 사용자 단말기는 큰 고정된 사운딩 간격으로 정확하게 추적할 수 없는 빠르게 변하는 CSI를 보여준다. 각 리사운딩 지점에서, 주기적 시스템은 오라클(oracle) 용량을 일치시킨 다음, 최적의 약 20 %로 빠르게 저하된다. 모바일 사용자 단말기가 정적 사용자 단말기 옆으로 물리적으로 이동함에 따라, 이는 상대적으로 정적인 무선 채널을 교란하여 심각한 용량 손실을 초래한다. 이러한 사건은 예측하기 어렵고 식별 및 교정되지 않는 한 사용 불능 또는 큰 용량 손실을 초래할 수 있다. 우리의 관찰에 기초하여, 고정된 S-T 간격은 채널이 이동성 상태를 빠르게 변화시킬 수 있기 때문에 오래된 CSI로 인한 불필요한 사운딩 또는 과도한 용량 손실을 초래할 것이다. 따라서 기회론적 사운딩 정책은 현재 채널 조건과 사용자 단말기의 이동성 상태에 기초하여 최대 허용 가능한 S-T 간격을 조정하는 적응성 구성 요소를 가져야 한다고 결론 내린다.

802.11af 표준은 명시적 사운딩을 사용하며, 집계된 데이터 프레임을 전송하여 오버헤드를 상쇄하고자 한다. 그러나 이 접근법의 효율성은 실제로 집계할 수 있는 프레임 수에 따라 달라진다. 최상 및 최악의 경우 시나리오를 모두 에뮬레이션하기 위해 우리는 다양한 채널 사운딩 정책과 다양한 패킷 집계 값을 사용하여 MU-MIMO 시스템의 프로토콜 성능을 분석한다. 이 분석을 위해, 집계 전에 단일 프레임 크기를 1500 바이트(최대 일반 이더넷 프레임 크기 및 CSI 오버헤드 상쇄를 위한 최선의 경우)로 설정한다. 우리는 세 가지 다른 채널 사운딩 정책을 비교한다:

명시적 802.11af. 이는 802.11af MU-MIMO의 현재 표준 작동 방식이다. 이 경우의 CSI 오버헤드는 각 다운링크 전송 이전의 모든 802.11af 사용자 단말기로부터의 NDP 통지, 사운딩 NDP, 폴링 및 압축 빔포밍 리포트(CBFR, Compressed Beam Forming Report) 응답의 시퀀스에 의해 야기된다. 명시적인 성능에 대한 상한 및 하한은 CBFR 페이로드의 최소 및 최대 피드백 압축을 사용하여 계산되며, 이는 고도로 공급 업체에 특정된 구현 매개변수이다. 피드백 압축은 성능에 장애가 되지 않는다고 가정하며, 중간 성능(median performance)을 나타내었다. 802.11af 표준은 최대 8 개의 동시 공간 스트림 만을 지원함에도 불구하고, 많은 수의 안테나를 설치하기 위한 기준점을 제공하기 위하여 타이밍 및 프로토콜 성능이 스트림 수에 따라 변경된다고 가정한다.

802.llaf에 대한 암시적 제안. H. Lou(아래)에서, 저자들은 짧은 NDP로 암시적으로 채널을 추정하여 긴 CBFR을 피하는 대안적인 다중 사용자 CSI 사운딩 프로토콜을 제안했다. 이 경우의 CSI 오버헤드는 각각의 다중 사용자 전송 이전에 NDP 통지 및 암시적 채널 추정에 사용되는 업링크 NDP의 스태거드(staggered) 시퀀스로부터 유래한다. 채널이 암시적으로 추정되므로 표시할 피드백 압축 수준이 없다.

802.11af에 대한 기회론적 제안. 이 경우, 다중 사용자 전송에 대한 CSI 오버헤드가 없다. 우리는 기회론적 기지국을 위해 세 가지 작동 범위를 분석한다:

1) "기회론적." 모든 CSI가 기회론적으로 이용 가능하다고 가정하고, 오래된 CSI 사용에 대한 빔포밍 불이익은 없는 최상의 경우의 성능이다.

2) "부트스트랩(Bootstrap)이 있는 기회론적." 최대 하나의 사용자 단말기가 오래된 CSI를 가지며 기지국이 그 CSI를 암시적으로 리프레시하기 위하여 각 다중 사용자 전송 전에 해당 사용자 단말기로 단일 패킷을 보내는 대안적인 폴백 모드이다. 이는 이전에 비활성 상태였던 사용자 단말기에 기회론적 CSI를 신속하게 부트스트랩하는 방법으로 볼 수 있다.

3) "오래된 CSI가 있는 기회론적." 우리의 환경 측정 트레이스에 기초한 기회론적 성능에 기초로 하는 트레이스-기반의 하한이다. 우리는 CSI가 매초 기회론적으로 리프레시된다고 가정한다. 우리의 경험적 결과에 따르면, 정적 사용자 단말기가 있는 환경에서 달성 가능한 합계 레이트가 10% 미만으로 감소된다. 따라서, 최상의 경우의 기회론적 시나리오의 처리량을 필요한 양만큼 줄여, 구현된 기회론적 시스템이 어떻게 수행할 수 있는지 더 타당한 근사를 제시한다.

각각의 경우에, 모든 ACK는 802.11af 사양에 따라 스태거드(staggered)된다. 취급하기 쉽게 하기 위하여, 전송은 성공한 것으로 가정되고, 재전송을 필요로 하지 않으며, 다운링크 데이터 흐름만이 고려된다. 프레임 집계에 의해 달성 가능한 오버헤드 상쇄를 설명하기 위하여, 모든 사용자 단말기가 단일 안테나만을 갖는 4x4 시스템에서 다중 사용자 프레임 집계 번호를 1부터 64까지 변화시켰다. 증가된 집계는 일반적으로 채널 사운딩 감소 프로토콜의 효율성을 감소시킬 것으로 예상되지만, 이는 또한 프로토콜 성능 면에서 교차 지점을 결정한다. 프레임 집계가 없는 가장 기본적인 변조 및 코딩 방식(MCS) 선택에 대해, 암시적 채널 사운딩 방법(기회론적, 암시적)과 현재의 명시적 802.11af 정책 사이에서 중간 정도의 성능 차이(moderate performance gap)를 관찰했다. 암시적 사운드 정책은 명시적 802.11af보다 처리량을 21% 증가시키는 반면, 기회론적 사운딩 정책은 처리량을 최대 31%까지 증가시킨다. 그러나 집계 속도가 증가하면, 양자는 빠르게 수렴한다.

높은 MCS 선택이 선정되면, 상대적 사운딩 오버헤드가 증가하므로, 사운딩 정책의 중요성이 커진다. 802.11af가 지원하는 최대 MCS 선택의 경우, 그렇지 않으면 시스템이 높은 MCS 속도로 작동할 수 있을 때, 시스템이 견고성을 위해 기본 속도로 CBFR, 폴링 패킷 및 ACK를 전송하기 때문에 사운딩 오버헤드가 훨씬 값비싸게 되며, 이러한 상황에서, 기회론적 사운딩은 처리량을 186 % 향상시키고 암시적 사운딩은 프레임 집계 없이 94 %까지 향상시킬 수 있다.

프레임 집계를 고려할 때, 35 개의 집계된 프레임까지 (오래된 CSI가 있는) 기회론적 사운딩 정책의 성능은 명시적 802.11af보다 보다 확실히 더 우수하다. 그러나 낮은 집계(10 개 프레임 미만)에서는 암시적 사운딩과 비슷하며 높은 프레임 집계에서는 현저하게 나쁜 성능을 보인다. 적은 수의 공간 스트림에 대해, 기회론적 채널 사운딩은 암시적 채널 사운딩과 비교할 때 대략 동등한 성능을 가지며 오래된 CSI로부터의 빔포밍 오류를 고려할 때 잠재적으로 더 나쁜 성능을 갖는다고 결론지었다. 그러나, 기회론적 및 암시적 채널 사운딩 모두 현재의 명시적 802.11af 표준보다 상당한 처리량 이득을 제공한다.

기회론적 사운딩의 한 가지 강력한 이점은 (현재의 802.1laf 표준을 준수하는 장비와 같이) 암시적 사운딩을 위한 사용자 단말기의 협력이 가능하지 않을 때 여전히 사용될 수 있다는 것이다. 이 관찰을 활용하는 시스템 설계는, 현재의 MCS에 따라, 사용자 다운링크 트래픽 대기열이 3-52MB 미만일 때 기회론적 CSI을 사용하고, 대기열이 해당 크기를 초과하고 사운딩 오버헤드를 충분히 상쇄할 수 있을 때 명시적 사운딩으로 전환한다. CSI를 보고하지 않는 레거시 802.11a/b/g/n 디바이스의 경우, 기회론적 CSI 만을 사용할 수 있으며 결정은 다중 사용자 및 단일 사용자 전송 모드 사이에서만 이루어진다.

기회론적 사운딩의 다른 강력한 이점은 시스템이 더 많은 수의 기지국과 사용자 단말기 안테나로 변경될 때 발생한다. 더 큰 규모에서, 프로토콜 붕괴(collapse)는 명시적 사운딩에서 및 암시적 사운딩에서조차 발생한다. 우리는 32x16 MU-MIMO 시스템을 분석했고 CSI 보고를 위해 기지국으로 전송되는 명시적인 데이터의 양과 공간 스트림의 수가 많음으로 인해, 명시적 채널 사운딩이 프로토콜 혼잡(congestion)으로부터 심각한 영향을 받는다는 사실을 관찰했다. 낮은 MCS 레이트 및 18 개 프레임 미만의 프레임 집계에 대해, 각 전송에 관련된 사용자 단말기의 수가 주어질 때 (오래된 CSI가 있는) 기회론적 사운딩은 암시적 사운딩조차 능가한다. 지원되는 최대 MCS에서, CSI 오버헤드가 이러한 규모로 다른 영향을 지배하기 때문에, 사운딩 정책 사이에서 엄격한 관계가 나타난다. 채널 사운딩이 극도로 값비싸게 되면, 오래된 CSI로 인한 패널티를 고려하더라도, 기회론적 CSI의 사용은 프레임 집계가 없는 경우 112%에서 최대 집계에서 18%까지 암시적 사운딩에 비해 현저한 처리량의 이득을 제공할 수 있다. 명시적 사운딩은 모두 회피되어야 한다.

MU-MIMO 시스템의 제한 요소는 이동성이다. 우리는 다양한 환경에서 UHF 2.4 GHz 및 5 GHz 대역에 걸쳐 높은 시간-주파수 해상도 트레이스를 포함하여, 보고된 것 중에서 가장 광범위하며 완전한 모바일 MU-MIMO 채널 측정 캠페인을 실시하였다. 이러한 측정에 따라, 우리는 사용자 이동성에 동적으로 적응하는 실제 이동성 검출 및 파일럿 스케줄링 시스템을 고안했다. 이 시스템은 모바일 환경에서 성능에 미치는 영향은 무시할 수 있지만, 채널 사운딩 오버헤드가 제거되기 때문에 정적 환경에서 성능이 150 % 이상 증가한다. 환경 이동성은 성능에 최소한의 영향을 미치는 것이 발견된 반면, 사용자 이동성은 수 밀리초 정도에서 급격한 성능 변동을 일으킬 수 있다. 또한 사용자는 일반적으로 오랫동안 정적(stationary)이거나 모바일인 것으로 나타났다.

사용자를 정적 또는 모바일로 분류하기 위하여, 우리는 사용자의 이동성을 정확하게 결정하는 메트릭을 고안하였다. 이러한 이동성 분류를 활용하여, 정적 사용자에 대한 CSI 수집의 불필요한 오버헤드를 피하면서, 모바일 사용자를 위한 정확한 CSI를 보장하는 파일럿 스케줄링 시스템을 고안한다. 우리는 채널 트레이스에서 이 파일럿 스케줄링 시스템을 시뮬레이션하였으며 CSI 수집 오버헤드를 제거함으로써 정적 토폴로지에서 성능을 150% 이상 증가시키는 한편, 모바일 토폴로지에 미치는 영향은 무시할 수 있음을 보여주었다. 이 시스템은 정적 및 모바일 사용자를 독립적으로 추적하고, 이동성의 변화에 빠르게 적응할 수 있다.

MU-MIMO 성능에 대한 이동성의 영향을 특성화하는 것은 사용자 속도, 주파수, 기지국 안테나 수, 빔포머, 환경, SNR 등을 포함하는 많은 요소에 의존한다. 일반적으로, 더 빠른 이동, 높은 반송파 주파수 및 더 많은 기지국 안테나는 각각 사용자 이동성에 따른 용량을 크게 감소시킨다. 제로-포싱 또는 MMSE와 같은 사용자 간 간섭을 억제하는 빔포머 또한 이동성에 의해 훨씬 더 영향을 받는다; 이는 사용자가 이동할 때 의도된 신호의 빔에서 벗어날 뿐만 아니라 기지국에 의해 생성된 간섭 널(null)에서 벗어나 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)을 빠르게 저하시키기 때문이다. 우리의 채널 측정 결과에 기초하여, 보행자 이동성을 가진 2.4 GHz 사용자의 경우 10 ms 만에 용량이 50 % 이상 감소할 수 있다는 것을 발견하였다.

이동성은, 예를 들어, CSI 및 빔포밍된 채널의 에러-벡터 크기(EVM, Error-Vector Magnitude)를 이용함으로써 사용자 별로 결정될 수 있다. 우리의 광범위한 채널 측정은, 다른 사용자의 이동을 포함하는 환경적 이동은 일반적으로 사용자의 성능에 최소한의 영향을 미쳐, 각 사용자가 독립적으로 처리될 수 있다는 것을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 아래에 제안된 메트릭은 환경 이동성을 감지하고, 이 이동성으로 인해 충분히 강한 성능 영향이 주어진 사용자를 모바일로 분류할 것이다.

사용 가능한 때에는, 현재 CSI와 이전 CSI의 상관관계, 그렇지 않으면, 빔포밍된 채널의 EVM에 기초하여 사용자 이동성을 결정한다. 우리는 정적 환경이 장기간 안정적이며 EVM 또는 상관관계의 편차가 거의 없음을 발견하였다. 본원에서 사용된 상관관계는 두 개의 시간 지점 t₀ 와 t_f 사이의 사용자의 1xM CSI 벡터 h의 순간 정규화된 상관관계(instantaneous normalized correlation)이며, 다음과 같이 정의된다.

이 값은 0에서 1 사이의 값으로 표현되는 빔포밍된 채널의 신호 강도와 직접 연관되며, 여기에서 1은 채널에서 변경이 없음을 나타내고 0은 사용자의 이전 위치로부터의 완전한 직교성을 나타낸다. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)에서와 같이, 시스템이 다중 주파수 빈을 사용할 때, 주파수-평균 정규화된 상관관계가 이용될 수 있다. 이것은 다음과 같이 계산될 수 있다.

여기에서 l는 주파수 빈의 수이다. 대안적으로, 계산에서 더 약한 주파수 빈의 영향을 감소시키기 위하여, 주파수-평균 정규화된 상관관계는 바람직하게는 다음과 같이 계산될 수 있다.

상기 계산은 모든 이용 가능한 시간 및 주파수 CSI 정보를 이용할 수 있다. 대안적으로, 계산 오버헤드를 줄이기 위하여, 서브세트가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상관관계는 매 N 번째 프레임 및/또는 매 N 번째 주파수 빈에 대해 결정될 수 있다. 이동성 검출의 효과에 대한 영향을 최소화하면서 계산 오버헤드를 감소시키기 위해 다양한 서브샘플링 전략이 사용될 수 있다.

정적 사용자는 안정적인 상관관계를 가지지만, 이상적인 값인 1로부터는 예상되는 오프셋이 있다는 점을 유의한다. 이 오프셋은 잡음으로 인해 발생하며, 불완전한 상관관계의 원인이 된다. 상관관계에 간단한 임계치를 설정하는 것은 이동성을 강건하게 결정하기에 충분하다고 생각되지는 않는다. 다행히, 정적 사용자는 상대적으로 안정적인 잡음 수준을 갖는다. 따라서 우리의 메트릭은 프레임 f에서의 이동성을 결정하기 위해 마지막 n 개의 CSI 값의 상관관계의 평균(mean)으로부터의 편차를 활용한다;

(다수의 주파수 빈이 사용되는 경우, 주파수-평균된 정규화된 상관관계는 위의 식에서의 정규화된 상관관계 대신에 사용될 것이다.) 고려되는 특정한 대안적인 실시예에서, 이동성은 가중 평균 및/또는 L2 노름(norm)을 사용하여 계산된다. 가중 평균은 예를 들어, 평균 계산의 에지 효과를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 어떤 경우이든, 사용자가 모바일 또는 정적으로 분류되어야 하는지를 결정하기 위해, 프레임 f에서의 이동성 M_f는 임계치 γ와 비교된 다. 예시적인 예로서, 임계치는 0.9로 설정될 수 있다. 이 메트릭은 잡음 또는 신호 강도에 의존하지 않으므로 매우 기능적이며, 0에서 1까지 일정한 범위를 가지므로, 환경들에 걸쳐 일정한 임계치가 잘 작동할 수 있다.

또는 대안적인 편차 측정이 사용될 수 있다. 예를 들어, 과거 N 개의 측정치의 표준 편차 또는 그 서브샘플링된 버전이 사용될 수 있다. 대안적인 편차 측정치의 조합은 또한 이동성 검출을 개선하는 데 바람직할 수 있다.

CSI가 이용 가능하지 않을 때, 예를 들어, 사용자가 정적인 것으로 결정되고 파일럿 슬롯이 스케줄링되지 않은 때, 우리는 이동성을 결정하기 위해 이동성 계산 대신에 다운링크 빔포밍된 채널의 EVM을 사용한다.(정적인 사용자에 대해서도 다른 사용자들로부터의 이동에 기초하여 업링크 채널이 변하므로, 다운링크 빔포밍된 채널을 사용하는 것이 바람직함을 유의한다.) EVM이 예상치를 초과하면, 사용자는 모바일로 결정된다.

일단 이동성이 결정되면, 파일럿 스케줄링 시스템은 상당히 직관적이다: 모바일 사용자를 위한 CSI는 빔포머 성능 및 CSI의 측정된 시간 및 주파수 일관성에 기초하여 결정되는 업데이트 주기로 정기적으로 업데이트된다. 가능한 경우, 기회론적 암시적 CSI 측정치가 사용되지만, 모바일 사용자 단말기의 마지막 CSI 업데이트 이후 경과된 시간이 임계치를 초과하면, 사용자 단말기로부터의 파일럿 신호 전송이 스케줄링된다. 대안적으로, 기지국은 일정 시간 간격으로 아마도 주파수의 서브세트 상에서 파일럿들을 전송하도록 모바일 사용자 단말기를 스케줄링할 수 있다. 정적 사용자들에 대해서는 상당히 큰 경과 시간 임계치 및 주파수 간격이 채택될 수 있거나, 또는 일부 실시예에서, 정적 사용자들은 파일럿들을 전송하도록 스케줄링되지 않는다(그러나 EVM 정보를 기지국으로 계속 전달한다). 물론, 정적 사용자가 모바일이 되면, 임계치는 감소되고 및/또는 이들은 일정한 간격으로 파일럿을 전송하기 시작한다.

도 6은 주어진 사용자 단말기에 대한 이동성 결정을 위한 예시적인 상태도를 도시한다. 사용자 단말기가 예를 들어 랜덤 액세스를 통해 기지국과 초기에 연관될 때, 기지국은 블록(602)에서 사용자 단말기를 "모바일"로 분류한다. 기지국은 이동성 표시자(또는 EVM 대리자)를 모니터링하고, 블록(604)에서 이를 임계치와 비교한다. 계산 및 비교는 프레임 단위로 일어날 수 있으며, 만약 이동성 표시자가 임계치 이하로 떨어지면, 블록(606)에서 기지국은 사용자 단말기를 "정적(stationary)"으로 분류한다. 그렇지 않으면, 사용자 단말기는 블럭(602)에서 "모바일"로 분류된 것이 계속된다. 기지국은 이동성 표시자를 계속 모니터링하고 블럭(608)에서 이를 임계치(또는 일부 이력 현상을 제공하기 위해 명목상 조정된 임계치)와 비교한다. 이동성 표시자가 임계치를 초과하면, 블록(602)에서 기지국은 사용자 단말기를 "모바일"로 분류한다. 그렇지 않으면, 사용자 단말기는 블록(606)에서 "정적"으로 분류된 것이 계속된다.

기지국은 파일럿을 스케줄링할 때 이 상태도를 사용할 수 있다. 예를 들어, 랜덤 액세스 요청을 전송함으로써, 사용자 단말기가 처음 활성화될 때, 정규화된 CSI 상관관계에 기초하여 이동성이 결정될 때까지, 이들은 매 프레임마다 파일럿을 전송하도록 즉시 스케줄링될 것이다. 특히, 빔포밍된 채널의 EVM과 함께, 각 사용자의 이러한 상관관계는 잡음 및 간섭에 기초하여 변동할 것이다. 따라서, 사용자 단말기가 모바일인지 또는 단지 잡음 채널을 사용하고 있는지를 결정하기 위해 다중 프레임이 바람직하게 사용된다. 상관관계 및 EVM이 일정한 포락선 내에 유지되면, 사용자 단말기는 정적인 것으로 결정될 수 있으며, 따라서 더 이상 프레임마다 파일럿을 전송할 필요가 없을 수 있다. 상관관계가 프레임들 사이에서 상당히 변동하면, 사용자 단말기는 모바일인 것으로 결정될 수 있고, (적어도 일부 실시예에서) 정적인 것으로 검출될 때까지 프레임마다 파일럿을 계속 전송한다. (다른 실시예에서, CSI의 시간 및 주파수 일관성이 측정되는 경우, 파일럿은 적절한 주파수 및 시간 간격으로 스케줄링될 수 있다.) 정적 사용자 단말기의 EVM이 이들이 정적인 것으로 결정된 때 계산된 포락선의 배수 이상으로 변동하거나, 드롭아웃이 있으면, 사용자 단말기는 전용 슬롯에서 파일럿을 전송하도록 스케줄링될 것이며 (먼저 빔포밍된 채널에서 더 낮은 변조 레이트를 사용하고, 실패하면, 다음으로 전형적인 페이징 및 랜덤 액세스 방법을 사용하여), 이 지점에서 프로세스가 반복된다.

정적 및 모바일 사용자 단말기의 혼합에 대한 성능의 프레임 기반 시뮬레이션에서, 기지국은 모든 프레임의 시작 부분에서 CSI를 수집하는 것으로 추정되었다. 단순한 시스템에서 매 프레임마다 모든 사용자에 대해 CSI가 수집되는 반면, 비교를 위해 우리의 제안된 시스템은 위에서 설명한 이동성 계산을 사용하여 결정한 모바일 사용자에 대해서만 각 프레임에서 CSI를 수집한다. 사용자가 간혹 오래된 CSI를 사용하기 때문에 (정적 사용자의 경우 CSI 수집이 억제됨) 우리의 제안된 시스템은 최대 3 %의 손실을 나타낸다. 그러나 제안된 시스템은 사용자 수가 증가함에 따라 성능이 크게 향상됨을 빠르게 보여준다.

이동성 클래스는 확장될 수 있음을 유의한다. 일부 시스템 실시예는, 예를 들어, 차량 탑승자로부터 보행자를 구분하기 위해 다수의 이동성 임계치를 가질 수 있고, CSI 측정을 리프레시하기 위한 상이한 스케줄 또는 데드라인을 제공할 수 있다. 위에서 살펴본 것처럼, 사용자 이동성은 연관되지 않는다; 이동하는 한 사용자는 다른 사용자의 채널에 거의 영향을 미치지 않으며, 영향을 주는 경우에도 효과가 일시적이다. 따라서 사용자 이동성은 독립적으로 안전하게 계산될 수 있다. 실험 결과에 기초하여, 2 개(모바일, 정적) 또는 많아야 3 개(차량, 보행자, 정적) 이동성 분류가 거의 최적의 성능을 발휘하기에 충분할 것으로 예상되지만, 물론 더 많이 사용될 수도 있다. 채널이 파장 단위로 발전하기 때문에, 모바일 사용자에 대해 모든 프레임(특히 고주파수에서)에 대한 CSI 측정치를 수집하는 것이 바람직할 수 있다.

전술한 관점에서, 도 7은 예시적인 무선 통신 방법의 흐름도이다. 앞서 논의된 상호성 교정 계수를 결정하는데 필요한 측정을 수행한 후, 방법은 빔 스윕(beam sweep)을 수행하고, 사용자 단말기에 시간-주파수 동기화를 제공하는 비콘 및 기지국 식별자를 전송하는 기지국과 함께 블록(702)에서 시작한다. 동기화 프로세스는 사용자 단말기에 시간-주파수 슬롯을 할당하고, 선택적으로 랜덤 액세스 프로토콜을 통해 자신과 기지국을 연관시킬 필요가 있는 단말기에 의한 사용을 위해 하나 이상의 슬롯을 예약한다. 기지국이 임의의 사용자 단말기를 페이징할 필요가 있으면, 페이징 시퀀스가 빔 스윕과 동시에 전송될 것이다.

블록(704)에서, 직교 시간-주파수 슬롯에서 동작하는 (LTE와 같은) 스케줄링된 시스템의 사용자 단말기는 파일럿 신호를 기지국으로 전송할 수 있으며, 기지국은 이를 이용하여 추정 업링크 CSI를 측정한다. 이러한 시스템에서, 위에서 논의된 바와 같이, 파일럿 스케줄링을 위해 이동성 분류가 고려될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 파일럿 스케줄링은 다양한 사용자 단말기에 할당된 채널들의 시간-주파수 일관성에 기반할 수도 있다.

그러나, 일부 시스템 실시예(예를 들어, IEEE 802.11af와 같은 CSMA-유사 네트워크)에서, 정상 업링크 트래픽은 기지국이 예를 들어 패킷 헤더에 기초하여 기회론적으로 업링크 CSI 측정치를 수집할 수 있도록 충분히 직교하여, 파일럿 신호를 스케줄링할 필요가 없다. 변형은 다음을 포함할 수 있다: CSMA-기반 CSI 획득 방식에서, 업데이트된 CSI를 필요로 하는 사용자 단말기로 "부트스트랩(bootstrap)" 패킷을 전송함으로써 CSI가 업데이트될 수 있으며, 이에 따라 기지국이 업데이트된 추정 업링크 CSI를 획득할 수 있게 하는 응답을 트리거링한다. 이 부트스트랩 패킷은 해당 사용자 터미널에 대한 대기열의 다음 패킷일 수 있으며, 클라이언트 대기열에서 가장 짧은 패킷일 수도 있고, 또는 802.11 유휴 클라이언트 프로브(idle client probe)와 같은 더미 패킷일 수도 있다. 후자는 해당 사용자 단말기에 대기중인 패킷이 없는 경우에 가장 적합할 수 있다.

블록(706)에서, 기지국은, 예를 들어, 평균값으로부터 정규화된 상관관계의 편차를 측정함으로써, 각 사용자 단말기에 대한 이동성 표시자를 결정하기 위해 CSI 측정치를 분석한다. 고려되는 적어도 일부 실시예는 추가적으로 또는 대안적으로, 예를 들어, 에러 벡터 크기, 비트 에러율, 프레임 드롭, 신호 대 잡음 비 또는 신호 대 간섭 비와 같은 대리 이동성 표시자를 사용할 수 있다. 고려되는 일부 대안적인 실시예에서, 정적 사용자 단말기(임의의 파일럿이 스케줄링되지 않을 수도 있음)에 대해 대리 이동성 표시자에 의존하기보다는, 정적 사용자 단말기들은 무시할 수 있는 오버헤드를 갖는 매우 단축된 파일럿 신호를 전송하도록 스케줄링될 수 있다(예를 들어, 단지 하나의 부반송파, 그리고 단지 주기적으로, 즉 매 프레임마다가 아님). 우리의 실험은 시간과 주파수에서의 이러한 서브샘플링이 여전히 매우 견고한 이동성 검출을 산출함을 나타낸다.

채널의 주파수 응답이 전파 환경에서의 다중 경로 효과에 의해 주로 결정되므로 이러한 단축된 파일럿이 모바일 사용자 단말기에 대해서도 유용할 수 있다. (예를 들어, 기지국에 대한 가시선 채널을 갖는 사용자 단말기는 거의 평탄한 주파수 응답을 갖는 반면, 장애물과 반사체에 가까운 사용자 단말기는 급격하게 바뀌는 응답을 가질 수 있다.) 이러한 경우를 구별하는 기지국은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA, Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)을 사용하는 파일럿의 더욱 효율적인 스케줄링 및 고품질 채널 측정치를 수집하는 데 필요한 파일럿 지속 시간 및 주파수 해상도만을 각 사용자에게 스케줄링 하는 것을 제공할 수 있다.

블록(708)에서, 이동성 분류(예를 들어, 모바일 또는 정적)가 각각의 사용자 단말기에 대해 결정된다. 전술한 바와 같이, 이러한 분류는 채널이 변화하지 않는 사용자 단말기에 대한 불필요한 CSI 수집을 제거함으로써 기지국이 MU-MIMO의 효율을 대폭 향상시킬 수 있게 한다.

블록(710)에서, 기지국은 선택적으로 사용자 단말기를 그룹화한다. 블록(712)에서, 각 그룹은 대응하는 스티어링 변환(즉, "빔포머")이 할당될 것이며, 그룹화는 다수의 일관된 목표를 염두에 두고 수행될 수 있다. 예를 들어, 그룹화는 이동성 분류에 적어도 부분적으로 기초하여 수행될 수 있다. 정적 사용자 단말기만을 포함하는 임의의 그룹에 대한 스티어링 변환은 안정적이며 빈번하게 재결정될 필요가 없다. 반대로, 하나 이상의 모바일 사용자 단말기를 포함하는 그룹은 바람직하게는 최신의 이용 가능한 CSI 측정치에 기초하여 빈번하게 업데이트되는 대응하는 스티어링 변환을 가질 수 있다. 다른 예로서, 서로 가까이에 위치된 사용자 단말기들은 공간적으로 다양한 빔에 의해 잘 서비스되도록 충분히 직교하는 채널 특성을 갖지 않을 수 있다. 이러한 사용자 단말기는 간섭을 최소화하기 위해 시간 또는 주파수 분할이 이용될 수 있도록 상이한 그룹에 배치될 수 있다.

블록(712)에서, 기지국은 그룹을 별개의 시간 및/또는 주파수 슬롯으로 매핑하고, 각 그룹에 대해, 해당 그룹 내의 사용자 단말기에 대한 다운링크 및 업링크 신호에 적용될 대응하는 스티어링 변환을 결정한다. 고려되는 일부 실시예에서, 빔포머(제로-포싱, 공액) 및 MCS 레이트 선택은 추정된 용량에 기초하여 선택될 수 있다. 제로-포싱과 관련된 오버헤드가 정적 사용자 단말기와 관련된 더 긴 사용 기간에 걸쳐 상쇄될 수 있도록, 빔포머는 대안적으로 그룹의 예상되는 안정성에 기초하여 선택될 수 있고, 모바일 사용자 단말기에 대해 빈번하게 재결정된 스티어링 변환에 대한 계산 부하는 공액 방법을 사용함으로써 감소된다. 시간이 지남에 따라, 이러한 선택 사항은 달성되는 용량을 더욱 향상시키도록 조정되고 개선될 수 있다.

블록(714)에서, 기지국-안테나 특정 업링크/다운링크 신호와 사용자-단말기 특정 업링크/다운링크 데이터 스트림 사이를 변환하기 위해 기지국은 스티어링 변환을 적용한다. 가능한 경우, 정적인 것으로 분류된 사용자 단말기로부터 EVM 또는 기타 성능 측정치가 수집될 수 있다. 필요하다면, 기지국은 예를 들어, 모바일 사용자 단말기 또는 CSI 측정치가 오래되었다고 판정된 사용자 단말기로부터의 파일럿 신호를 스케줄링하기 위해 다운링크 통신을 사용할 수 있, 다.

블록(716)에서, 기지국은 정상 업링크 트래픽(예를 들어, 패킷 헤더 내의 알려진 패턴), 이전에 스케줄링된 파일럿 신호, 또는 수집된 EVM 또는 다운링크 성능 측정치에 기초하여 CSI 측정치를 업데이트한다. 블록(718)에서, 기지국은 업데이트된 CSI 정보에 기초하여 이동성 표시자를 업데이트하거나, 선택적으로 이동성을 위한 대리 방법을 업데이트한다(예를 들어, EVM을 임계치와 비교). 기지국은 임의의 사용자 단말기가 이동성 측면에서 재분류될 필요가 있는지 및/또는 사용자 단말기 그룹화가 재결정될 필요가 있는지 결정한다. 블록(720)에서 조정이 필요한지 여부를 검사하는 것에 기초하여, 기지국에 의해 구현되는 방법은 블록(708)(조정이 필요함) 또는 블록(714)(조정이 필요 없음)으로 되돌아 간다.

본원에 기술된 실시예는 본 개시의 특정 양태를 설명하기 위해 포함된다. 본원에 기술된 실시예는 단지 본 개시의 예시적인 실시예를 나타내며, 본 개시 또는 청구항의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 당업자라면, 본 개시에 비추어, 설명된 특정 실시예에서 많은 변화가 이루어질 수 있고, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 여전히 동일하거나 유사한 결과를 얻을 수 있음을 이해하여야 한다. 앞의 설명으로부터, 당업자는 본 개시의 본질적인 특성을 용이하게 확인할 수 있고, 그 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 본 개시를 다양한 용도 및 조건에 적응시키기 위해 다양한 변화 및 수정을 가할 수 있다. 위의 개시가 충분히 이해되면, 다수의 이러한 대안적인 형태, 등가물 및 변형이 당업자에게 명백해질 것이다. 예를 들어, 본원에서 논의된 기술은 임의의 MU-MIMO 무선 시스템에 적용될 수 있다. 또한, 사물 인터넷(loT) 디바이스 및 제어를 포함하여, 무선 로컬라이제이션 및 RFID 태그에 적용될 수 있다. 청구범위는 이러한 모든 대체 형태, 균등물 및 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 무선 통신 기지국.