KR102079436B1 - 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법 - Google Patents

가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102079436B1
KR102079436B1 KR1020180012761A KR20180012761A KR102079436B1 KR 102079436 B1 KR102079436 B1 KR 102079436B1 KR 1020180012761 A KR1020180012761 A KR 1020180012761A KR 20180012761 A KR20180012761 A KR 20180012761A KR 102079436 B1 KR102079436 B1 KR 102079436B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
circular array
array antenna
channel
antenna
antennas
Prior art date
Application number
KR1020180012761A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190049337A (ko
Inventor
이용훈
전유리
정의림
길계태
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Publication of KR20190049337A publication Critical patent/KR20190049337A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102079436B1 publication Critical patent/KR102079436B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
    • H04B7/046—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting taking physical layer constraints into account
    • H04B7/0469—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting taking physical layer constraints into account taking special antenna structures, e.g. cross polarized antennas into account
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0697—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using spatial multiplexing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법에 있어서, 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하는 단계; 상기 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하는 단계; 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 단계를 포함하고, 상기 최적의 반경은, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다.

Description

가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법{DESIGN OF MIMO SYSTEM WITH UNIFORM CIRCULAR ARRAY OVER LOS CHANNEL AND DESIGNING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
아래의 실시예들은 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가시선(Line of Sight: LoS) 채널 환경에서 최대의 주파수 효율 및 공간 다중화 이득을 얻을 수 있는 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)를 이용한 다중 안테나(Multi Input Multi Output: MIMO) 시스템에 관한 것이다.
최근 상용 통신 대역이 밀리미터파 대역으로 옮겨가면서, 가시선 채널 환경에서의 통신 시스템에 대한 연구가 증가하고 있다. 특히, 가시선 환경에서 균일 원형 배열 안테나를 이용하여 고속 전송을 실현하는 기술이 꾸준히 연구되고 있다. 균일 원형 배열 안테나는 기존의 균일 선형 배열 안테나(Uniform Linear Array: ULA)와는 달리 송수신 채널 행렬이 순환 행렬이 되기 때문에, 송수신단에서 채널 정보 없이 각각 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform: DFT)과 이산 푸리에 역변환(Inverse Discrete Fourier Transform: IDFT)으로 쉽게 채널 행렬을 대각화 할 수 있다. 이러한 성질은 안테나 배열의 반경이나 전송거리에 상관 없이 성립하기 때문에 실제 송수신단 설계에 유용하다. 또한, 이 특성은 부배열 안테나를 사용한 시스템에도 그대로 적용이 가능하기 때문에 빔포머 설계를 간단히 할 수 있다.
최근의 연구 결과에 따르면 가시선 채널 환경에서는 최적화된 안테나 배치를 통해 공간 다중화 이득을 얻을 수 있다. 이 결과들에 따르면 최적의 안테나 배치는 채널이 직교 행렬이 되도록 하는 조건을 만족시키는데, 이 조건은 전송 주파수, 배열 크기, 그리고 전송 거리의 함수로 나타낼 수 있다. 이 조건을 만족하면 채널이 직교 행렬이 되어 동일한 특이값(singular value)들을 갖게 되고, 그 결과 제한된 송신 전력에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다. 최적의 안테나 배치 조건은 안테나 배열 종류에 따라 달라지는데, 균일 선형 배열 안테나 시스템에서는 통신 거리가 멀수록 최적화된 안테나 배치에 필요한 안테나 사이의 간격이 증가한다. 균일 원형 배열 안테나 시스템에서는 원형 배열 안테나의 직경이 전송 거리에 비례하는데, 안테나 개수가 4개 이하에서는 다음 식과 같은 조건을 만족하면 채널 행렬이 직교 행렬이 된다.
[수학식 1]
Figure 112018011489927-pat00001
여기서, R은 원형 배열 안테나의 반지름, D는 통신거리,
Figure 112018011489927-pat00002
는 반송파 주파수 파장을 나타낸다. 그러나 안테나 개수가 4개보다 커지게 되면 위 조건이 성립하지 않는다. 또한, 제안된 최적의 안테나 배치는 송수신단 균일 원형 안테나 배열의 중심 축이 일치하고 배열면이 완벽하게 평행한 상황을 가정한다. 실제 환경에서는 이와 같은 가정이 성립하기 어렵기 때문에 정렬 불량인 경우에 대한 최적의 안테나 배치 방법에 대해 연구가 진행되고 있다. 기존 연구들은 주로 선형 배열 안테나 및 직사각형 형태의 배열 안테나에 대한 것으로 아직 원형 배열 안테나에 대해서는 연구된 바가 없다.
한국등록특허 10-0785852호는 이러한 직교 주파수 분할 다중 접속 기반 무선 통신 시스템에서의 전송효율 최대화를 위한 서브채널 할당 및 고정 빔 형성전송 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법에 관한 기술을 기재하고 있다.
한국등록특허 10-0785852호
실시예들은 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 목표 전송 거리에서 주어진 안테나 개수에서 최대 주파수 효율을 획득하는 기술을 제공한다.
실시예들은 균일 원형 배열 안테나의 반경을 설계할 때, 목표 전송 거리에서 최대 주파수 효율을 얻을 수 있으며, 정렬 불량인 균일 원형 배열 안테나에 대해서도 적용이 가능한 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법에 있어서, 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하는 단계; 상기 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하는 단계; 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 단계를 포함하고, 상기 최적의 반경은, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다.
상기 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하는 단계는, 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나 사이의 거리를 통해 상기 채널 계수를 산정할 수 있다.
상기 원형 배열 안테나는, 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나일 수 있다.
상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 단계는, 상기 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계는, 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 채널의 특이값(singular value)이 모두 같도록 유니타리 행렬(unitary matrix)이 될 수 있다.
상기 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계는, 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합은 부분적인 볼록 함수 형태로 이루어져 함수의 극소점을 얻을 수 있는 해 중 가장 작은 값을 이용하여 최적의 반경을 구할 수 있다.
상기 원형 배열 안테나는, 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나를 포함하며, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)일 수 있다.
상기 원형 배열 안테나는, 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나를 포함하며, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)일 수 있다.
상기 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나는, 상기 수신단 원형 배열 안테나가 상기 송신단 원형 배열 안테나에 비해 xy-평면에서 소정 각도 회전한 경우, 상기 수신단 원형 배열 안테나가 두 방향으로 기울어진 경우, 상기 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 상기 송신단 원형 배열 안테나의 중심축보다 소정 각도 이동한 경우 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
다른 실시예에 따른 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 장치에 있어서, 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하고, 상기 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하는 채널 산정부; 및 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 반경 산정부를 포함하고, 상기 최적의 반경은, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다.
상기 채널 산정부는, 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나 사이의 거리를 통해 상기 채널 계수를 산정할 수 있다.
상기 원형 배열 안테나는, 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나이고, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA) 또는 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)일 수 있다.
상기 반경 산정부는, 상기 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하되, 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 채널의 특이값(singular value)이 모두 같도록 유니타리 행렬(unitary matrix)이 될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템에 있어서, 송신 신호는 동일한 전력으로 프리코더 없이 전송되어 채널 행렬을 통과하는 송신단을 포함할 수 있다.
상기 채널 행렬의 켤레 전치로 신호를 수신하는 수신단을 더 포함할 수 있다.
상기 수신단은, 상기 채널 행렬의 켤레 전치(conjugate transpose)를 이용한 제로 포싱(zero-forcing) 수신기로 구현될 수 있다.
상기 송신단은, 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하고, 상기 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 상기 채널 행렬을 산정하며, 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하여, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다.
상기 원형 배열 안테나는, 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나이고, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA) 또는 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)일 수 있다.
실시예들에 따르면 목표 전송 거리에서 주어진 안테나 개수에서 최대 주파수 효율을 획득하고, 송수신기 또한 간단하게 구현이 가능한 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 균일 원형 배열 안테나의 반경을 설계할 때, 목표 전송 거리에서 최대 주파수 효율을 얻을 수 있으며, 정렬 불량인 균일 원형 배열 안테나에 대해서도 적용이 가능한 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 송수신단 배열이 완벽하게 정렬된 균일 원형 배열 안테나 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 정규화 한 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합을 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 두 방향으로 기울어진 수신단 원형 배열 안테나를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 이동된 시스템을 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나 시스템을 위한 송수신단 구조를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 안테나 반경에 따른 주파수 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 송수신단 구현 방법에 따른 주파수 효율을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가시선(Line of Sight: LoS) 채널 환경에서 최대의 주파수 효율 및 공간 다중화 이득을 얻을 수 있는 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)를 이용한 다중 안테나(Multi Input Multi Output: MIMO) 시스템에 관한 것이다.
실시예들은 가시선 채널 환경에서 다중 안테나 시스템을 위한 최적의 균일 원형 배열 안테나 설계 방법을 제안한다. 특히, 실시예들은 안테나 개수와 전송 주파수에 따른 목표 통신 거리에서의 최적의 원형 배열 안테나의 직경을 제시한다. 본 실시예에서 제안한 방법으로 균일 원형 배열 안테나의 반경을 설계할 때, 목표 전송 거리에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다. 본 실시예들은 정렬 불량인 균일 원형 배열 안테나에 대하여도 적용이 가능하도록 한다. 또한, 제안한 방법으로 설계한 균일 원형 배열 안테나를 위한 송수신기 구조도 제안한다.
완벽하게 정렬된 원형 배열 안테나 시스템
도 1은 일 실시예에 따른 송수신단 배열이 완벽하게 정렬된 균일 원형 배열 안테나 시스템을 나타낸다.
본 실시예에서는 가시선 채널 환경에서 반경이 같은
Figure 112018011489927-pat00003
(송신 안테나
Figure 112018011489927-pat00004
개, 수신 안테나
Figure 112018011489927-pat00005
개) 균일 원형 배열 안테나 기반의 통신 시스템을 고려한다.
도 1을 참조하면, 예를 들어 송수신단 배열이 완벽하게 정렬된
Figure 112018011489927-pat00006
= 8의 균일 원형 배열 안테나 시스템의 3차원 좌표 위에서의 표현을 나타낸 것으로, 그 구조는 8개의 안테나(111, 121)들로 구성된 송수신단 원형 배열 안테나(110, 120)의 반경이 R로 동일한 균일 원형 배열 안테나 시스템이다.
여기서, 송신단 원형 배열 안테나(110)의 평면은 xy평면 위에 있고 수신단 원형 배열 안테나(120)는
Figure 112018011489927-pat00007
만큼 떨어진 거리에 있으며, 송신단 원형 배열 안테나(110)의 평면과 서로 평행하고, 중심축은 모두 z축 위에 정렬되어 있다. 이 때, 채널 행렬
Figure 112018011489927-pat00008
의 계수는 송수신 안테나 사이의 거리에 의해 결정되며, 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018011489927-pat00009
여기서,
Figure 112018011489927-pat00010
는 송신단 m번째 안테나와 수신단 n 번째 안테나 사이의 거리를 나타내며, 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018011489927-pat00011
여기서,
Figure 112018011489927-pat00012
와
Figure 112018011489927-pat00013
는 각각 송신단 안테나 사이의 배치 간격 및 수신단 안테나 사이의 배치 간격이다.
수학식 2와 수학식 3을 통해 얻어진 채널 행렬의 프로베니우스 놈(Frobenius norm)은
Figure 112018011489927-pat00014
로 일정하고, 이 때 최대의 채널 용량을 얻기 위해서 채널의 특이값(singular value)이 모두 같아야 한다.
따라서, 채널은
Figure 112018011489927-pat00015
가 곱해진 유니타리 행렬(unitary matrix)이 되었을 때 채널의 특이값이 모두 같게 되고, 채널은 유니타리 행렬이 되기 위해서 모든 열벡터의 내적이 0이 되어야 한다. 채널 행렬의 k번째와 l번째 열벡터의 내적은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018011489927-pat00016
여기서,
Figure 112018011489927-pat00017
이다.
Figure 112018011489927-pat00018
를
Figure 112018011489927-pat00019
라 정의하면 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018011489927-pat00020
채널이 유니타리 행렬이 되기 위해서 어떤
Figure 112018011489927-pat00021
값에 대해 모든 열벡터들의 내적이 0이 되어야 한다. 따라서 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 0이 되는, 즉
Figure 112018011489927-pat00022
이 되도록 하는
Figure 112018011489927-pat00023
값이 찾고자 하는 값이다.
안테나 개수가 3개나 4개일 경우 이
Figure 112018011489927-pat00024
값이 존재하나, 안테나 개수가 5개 이상일 경우
Figure 112018011489927-pat00025
이 되도록 하는
Figure 112018011489927-pat00026
값이 존재하지 않는다.
본 실시예에서는 안테나 개수가 5개 이상일 경우 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합
Figure 112018011489927-pat00027
이 최소가 되는
Figure 112018011489927-pat00028
값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 찾는 방법을 제공할 수 있다. 이 문제를 수식으로 서술하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018011489927-pat00029
이 때,
Figure 112018011489927-pat00030
는 부분적인 볼록 함수 형태이므로 함수의 극소점이 존재한다. 이 극소점을 얻을 수 있는 해 중에서 가장 작은 값을 이용하여 최적의 반경을 구할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018011489927-pat00031
도 2는 일 실시예에 따른 정규화 한 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 반송파 주파수가 75GHz이고, 목표 전송 거리
Figure 112018011489927-pat00032
일 때, 정규화 한 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합
Figure 112018011489927-pat00033
를 나타낸다.
이 때, 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합
Figure 112018011489927-pat00034
의 최소값을 얻을 수 있는
Figure 112018011489927-pat00035
는3.18이고, 이
Figure 112018011489927-pat00036
값을 통해 얻어지는 최적의 균일 원형 배열 안테나의 반경은
Figure 112018011489927-pat00037
이 된다.
정렬 불량인 원형 배열 안테나 시스템
본 실시예들은 송수신단 배열의 정렬이 맞는 균일 원형 배열 안테나 시스템뿐만 아니라, 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나 시스템에도 적용이 가능하다.
본 실시예에서 고려하는 정렬 불량의 경우는 세 가지이다.
먼저, 수신단 원형 배열 안테나가 송신단 원형 배열 안테나에 비해 xy-평면에서
Figure 112018011489927-pat00038
만큼 회전한 시스템을 고려한다. 수신단 원형 배열 안테나의 좌표는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112018011489927-pat00039
여기서,
Figure 112018011489927-pat00040
이다.
다음은, 수신단 원형 배열 안테나가 기울어진 경우를 고려한다. 이상적인(즉, 송수신단 배열의 정렬이 맞는 경우) 수신단 원형 배열 안테나는 xy-평면과 평행한 면 위에 있고, xz-평면과는 수직으로 이루어진다.
도 3은 일 실시예에 따른 두 방향으로 기울어진 수신단 원형 배열 안테나를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 두 방향으로 기울어진 수신단 원형 배열 안테나(310)를 나타낸다. 예를 들어, 두 방향으로 기울어진 수신단 원형 배열 안테나(310)는 x축 방향으로
Figure 112018011489927-pat00041
만큼, 그리고 y축 방향으로
Figure 112018011489927-pat00042
만큼 기울어질 수 있다.
이 때, 수신단 안테나의 좌표는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018011489927-pat00043
여기서,
Figure 112018011489927-pat00044
이고,
Figure 112018011489927-pat00045
이다.
마지막으로, 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 송신단 원형 배열 안테나의 중심축보다
Figure 112018011489927-pat00046
만큼 이동한 경우를 고려한다.
도 4는 일 실시예에 따른 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 이동된 시스템을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 y축에서
Figure 112018011489927-pat00047
만큼 기울어진 방향으로
Figure 112018011489927-pat00048
만큼 이동한 것을 나타낸다. 여기서, 수신단 원형 배열 안테나의 중심 좌표는
Figure 112018011489927-pat00049
이다. 그리고 D는 송수신단 원형 배열 안테나 중심 사이의 거리를 나타낸다.
좌표의 표현을 좀 더 간단하게 하기 위해 수신단 원형 배열 안테나가 움직인 방향을 새로운 y'-축이라 설정할 수 있다. 이에 따라 새로운 x'-축도 y'-축과 수직이 되도록 결정된다. 이 새로운 x'-축 및 y'-축을 기준으로 중심 좌표를 표현하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112018011489927-pat00050
이 중심 좌표를 기준으로 수학식 8과 수학식 9를 이용하여 n번째 안테나의 좌표를 구하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112018011489927-pat00051
이를 x'-축, y'-축에서 표현하면 수신단 원형 배열 안테나의 n번째 안테나의 좌표는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018011489927-pat00052
여기서,
Figure 112018011489927-pat00053
이고,
Figure 112018011489927-pat00054
는
Figure 112018011489927-pat00055
의
Figure 112018011489927-pat00056
번째 원소이다. 마찬가지로, 송신단 원형 배열 안테나의 m번째 안테나의 좌표는
Figure 112018011489927-pat00057
이다. 이 때,
Figure 112018011489927-pat00058
이다. 이를 이용하여 송수신단 안테나 사이의 거리를 계산하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112018011489927-pat00059
여기서,
Figure 112018011489927-pat00060
이므로 1차 테일러 급수를 이용하여 근사를 하면 수학식 13은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112018011489927-pat00061
여기서,
Figure 112018011489927-pat00062
이다. 그리고
Figure 112018011489927-pat00063
이다.
따라서 세 가지 정렬 불량이 발생한 경우의 채널 계수는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112018011489927-pat00064
그리고, 이를 행렬식으로 표현하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112018011489927-pat00065
여기서,
Figure 112018011489927-pat00066
,
Figure 112018011489927-pat00067
, 그리고
Figure 112018011489927-pat00068
는 (n, m)번째 원소가
Figure 112018011489927-pat00069
인 채널 행렬이다.
마찬가지로, 정렬 불량인 원형 배열 안테나의 채널 행렬은 유니타리 행렬이 되기 위해서 모든 열벡터의 내적이 0이 되어야 한다. 채널 행렬의 k번째와 l번째 열벡터의 내적은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112018011489927-pat00070
여기서,
Figure 112018011489927-pat00071
는 크기가 1인 상수이고,
Figure 112018011489927-pat00072
이다.
수학식 17의 절대값
Figure 112018011489927-pat00073
은
Figure 112018011489927-pat00074
,
Figure 112018011489927-pat00075
일 때, 수학식 4의 절대값과 동일하게 된다. 실제 환경에서는
Figure 112018011489927-pat00076
,
Figure 112018011489927-pat00077
이므로 완벽하게 정렬된 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 최적화 조건인 수학식 6과 동일한 조건으로 정렬 불량인 원형 배열 안테나 시스템의 최적의 반경을 얻을 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112018011489927-pat00078

아래에서는 간단한 송수신단 설계에 대해 설명한다.
본 실시예에 따라 제안한 방법을 이용하여 얻은 반경으로 원형 배열 안테나를 설계하는 경우 채널 행렬은
Figure 112018011489927-pat00079
가 곱해진 유니타리 행렬에 가깝게 된다. 이 때, 채널 행렬의 특이값은 거의 동등하게 얻어지므로 송신단에서 프리코더(precoder) 없이 동등한 크기의 전력 할당 방법으로 최적의 송신기를 구현할 수 있다. 또한 채널은 모두 서로 직교하게 되므로, 수신단은 제로 포싱(Zero Forcing) 수신기로 간단하게 구현 가능하다. 제로 포싱(Zero Forcing) 수신기 G는 다음 식과 같이 설계할 수 있다.
[수학식 19]
Figure 112018011489927-pat00080
여기서,
Figure 112018011489927-pat00081
는 수신단에서 추정한 실제 시스템의 채널 행렬이고, 마지막 관계식은 채널 행렬이 유니타리 행렬에 가깝기 때문에 성립이 가능하다. 따라서 제안한 방법으로 설계한 원형 배열 안테나 시스템은 수신단을 채널 행렬의 켤레 전치(conjugate transpose)로 구현 가능하다.
도 5는 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나 시스템을 위한 송수신단 구조를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 원형 배열 안테나 시스템을 위한 송수신단 구조에서 송신 신호(510) x는 동일한 전력으로 프리코더 없이 전송되어 채널 행렬(520) H를 통과하고, 수신단에서는 이 채널 행렬(520)의 켤레 전치(530)
Figure 112018011489927-pat00082
로 신호를 수신할 수 있다.
아래에서 원형 배열 안테나 시스템에 대해 하나의 예를 들어 설명한다.
일 실시예에 따른 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템은 송신단 및 수신단을 포함하여 이루어질 수 있다.
송신단에서 송신 신호는 동일한 전력으로 프리코더 없이 전송되어 채널 행렬을 통과할 수 있다. 송신단은 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하고, 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하며, 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하여, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다.
여기서, 원형 배열 안테나는 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나일 수 있다.
또한 원형 배열 안테나는 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)로 이루어지거나 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)로 이루어질 수 있다.
수신단은 채널 행렬의 켤레 전치로 신호를 수신할 수 있다. 이 때, 수신단은 채널 행렬의 켤레 전치(conjugate transpose)를 이용한 제로 포싱(zero-forcing) 수신기로 구현될 수도 있다.
여기에서 송신단 및 수신단의 원형 배열 안테나는 위에서 설명하였으며, 또한 아래에서 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법 및 장치를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
실시예들은 가시선 채널 환경에서 균일 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 설계하는 방법을 제안하고, 제안한 방법이 정렬이 완벽하게 이루어진 균일 원형 배열 안테나뿐만 아니라, 정렬 불량인 균일 원형 안테나 시스템에서도 적용이 가능하다. 본 실시예의 안테나 시스템은 목표 전송 거리에서 주어진 안테나 개수에 대해 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있는 동시에, 거의 동일한 크기의 안테나 개수만큼의 독립적인 채널 스트림을 얻을 수 있어 프리코더 없이 간단히 송신단을 설계할 수 있다. 또한, 수신단을 채널 행렬의 켤레 전치(conjugate transpose)를 이용한 제로 포싱(zero-forcing) 수신기로 간단히 구현 가능하다.
도 6은 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법은 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법에 있어서, 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하는 단계(610), 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하는 단계(620), 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 단계(630)를 포함하여 이루어지고, 여기서, 최적의 반경은 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다.
여기에서, 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 단계는, 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
아래에서는 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법을 하나의 예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
한편, 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 장치는 채널 산정부 및 반경 산정부를 포함하여 이루어질 수 있으며, 이는 하나의 시스템 또는 별도의 시스템으로 이루어질 수 있다.
아래에서는 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 장치를 통해 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
단계(610)에서, 채널 산정부는 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정할 수 있다.
채널 산정부는 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나 사이의 거리를 통해 채널 계수를 산정할 수 있다.
여기서, 원형 배열 안테나는 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나일 수 있다.
일례로, 원형 배열 안테나는 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나를 포함하며, 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)일 수 있다.
다른 예로, 원형 배열 안테나는 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나를 포함하며, 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)일 수 있다.
여기서, 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나는 수신단 원형 배열 안테나가 송신단 원형 배열 안테나에 비해 xy-평면에서 소정 각도 회전한 경우, 수신단 원형 배열 안테나가 두 방향으로 기울어진 경우, 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 송신단 원형 배열 안테나의 중심축보다 소정 각도 이동한 경우 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
단계(620)에서, 채널 산정부는 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정할 수 있다.
단계(630)에서, 반경 산정부는 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구할 수 있다.
반경 산정부는 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계를 포함할 수 있다. 이를 위해 반경 산정부는 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 채널의 특이값(singular value)이 모두 같도록 유니타리 행렬(unitary matrix)이 될 수 있다.
또한, 반경 산정부는 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합은 부분적인 볼록 함수 형태로 이루어져 함수의 극소점을 얻을 수 있는 해 중 가장 작은 값을 이용하여 최적의 반경을 구할 수 있다.
실시예들에 따르면 가시선 채널 환경에서 균일 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 설계하는 방법을 제공하고, 이를 통해 정렬이 완벽하게 이루어진 균일 원형 배열 안테나뿐만 아니라 정렬 불량인 균일 원형 안테나 시스템에서도 적용이 가능하다.
실시예들에 따른 효과 및 이득을 보이기 위해 모의실험을 통해 실시예에 대한 성능을 확인한다.
실험 환경은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. 8개의 전송 데이터 스트림을 동시에 보내는 시스템에서 신호 대 잡음비를 10dB가 되도록 송신전력을 조절하고, 반송 주파수는 75GHz로 설정하였다. 목표 전송 거리 D는 100m 이다. 본 시뮬레이션 환경에서 송수신단의 원형 배열 안테나의 최적의 반경은 수학식 7을 이용하여 구한 0.45m 이다.
먼저, 제안한 방법으로 구한 최적의 반경에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있는지 확인한다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 안테나 반경에 따른 주파수 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8에서, 송신단은 워터 필링(water-filling) 기반의 최적의 전력 할당 방법(8x8 UCA 워터 필링)과 동등한 크기로의 전력 할당 방법(8x8 UCA 동등한 전력) 두 가지를 고려하였다. 수신단은 모두 최적의 수신기로 구현하였다고 가정한다.
도 7은 일 실시예에 따른 완벽하게 정렬된 원형 배열 안테나 기반의 시스템의 주파수 효율을 나타낸다. 그리고, 도 8은 일 실시예에 따른 정렬 불량의 원형 배열 안테나 기반의 시스템의 주파수 효율을 나타낸다. 도 8에서 고려한 정렬 불량은
Figure 112018011489927-pat00083
이다.
제안한 방법으로 찾은 최적의 반지름 0.45m에서 두 시스템 모두 약 26.4bit/s/Hz의 최대의 주파수 효율을 얻는다. 도 8은 반지름이 0.66m일 때 더 큰 주파수 효율을 얻는 것 같으나, 실제 차이는 약 0.4bit/s/Hz로 설계 목표가 최소의 반지름에서 최대의 주파수 효율을 얻는 것임을 감안할 때, 0.45m가 최적의 반지름이 되는 것이 타당하다. 또한, 최적의 반지름에서 송신단에서 채널 정보가 필요한 워터 필링을 이용한 전력 전송 방법과 채널 정보 없이 동일한 크기의 전력 분배로 전송하는 방법의 주파수 효율이 거의 같음을 확인할 수 있어, 제안한 방법으로 설계할 경우 채널 정보 없이 간단히 송신단 설계가 가능함을 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 송수신단 구현 방법에 따른 주파수 효율을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 정렬 불량인 원형 배열 안테나 시스템의 송수신단 구현 방법에 따른 주파수 효율을 나타내며, 여기서 고려한 정렬 불량 모델은
Figure 112018011489927-pat00084
값들이 모두 각각 평균이 0이고 범위가 -15°~ +15°인 연속균등분포(uniform distribution)를 이룬다고 가정하였다.
비교 시스템은 세 가지로 구성될 수 있다.
시스템 1(SVD)은 수신단에서 채널 행렬의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 송신단으로 채널 정보 피드백을 보내 구현한 최적의 송수신기 시스템이다.
시스템 2(켤레 전치 ZF 수신기)는 본 실시예에서 제안하는 송신단 프리코더 없이 수신단에서 채널의 켤레 전치만으로 제로 포싱 수신기를 구현한 시스템이다.
그리고, 시스템3(수도 역행렬 ZF 수신기)은 송신단 프리코더 없이 수신단에서 기존 방법인 채널의 수도 역행렬(Pseudo-inverse)로 제로 포싱 수신기를 구현한 시스템이다.
본 실시예에서 제안한 시스템 2는 송신단의 채널 정보 피드백을 필요로 하는 시스템 1과 수신단에서 복잡한 계산을 필요로 하는 시스템 3에서 얻을 수 있는 주파수 효율과 거의 동등한 성능의 주파수 효율을 얻을 수 있다. 따라서 위 시뮬레이션 결과는 본 실시예에서 제안한 시스템이 송수신단에서 모두 채널 정보가 필요하고 복잡한 특이값 분해 연산으로 구현한 최적의 송수신기와 송신단 채널 피드백은 없지만 복잡한 연산이 필요한 채널의 수도 역행렬을 통해 제로 포싱 수신기를 구현한 송수신기 시스템의 좋은 대안이 될 수 있음을 나타낸다.
종합하면, 본 실시예에서 제안하는 원형 배열 안테나 시스템은 목표 전송 거리에서 주어진 안테나 개수에서 최대의 주파수 효율을 얻고, 송수신기 또한 간단하게 구현이 가능함을 보여준다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법에 있어서,
    원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하는 단계;
    상기 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하는 단계;
    상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 단계
    를 포함하고,
    상기 원형 배열 안테나는,
    송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나를 포함하며, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA) 또는 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)이고,
    상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 단계는,
    상기 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계
    를 포함하며,
    상기 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계는,
    상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 상기 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하되, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나가 각각 5개 이상인 경우, 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합은 부분적인 볼록 함수 형태로 이루어져 함수의 극소점을 얻을 수 있는 해 중 가장 작은 값을 이용하여 최적의 반경을 구하며,
    상기 최적의 반경은, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻는 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하는 단계는,
    복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나 사이의 거리를 통해 상기 채널 계수를 산정하는 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원형 배열 안테나는,
    복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나인 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하는 단계는,
    상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 채널의 특이값(singular value)이 모두 같도록 유니타리 행렬(unitary matrix)이 되는 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나는,
    상기 수신단 원형 배열 안테나가 상기 송신단 원형 배열 안테나에 비해 xy-평면에서 소정 각도 회전한 경우, 상기 수신단 원형 배열 안테나가 두 방향으로 기울어진 경우, 상기 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 상기 송신단 원형 배열 안테나의 중심축보다 소정 각도 이동한 경우 중 적어도 어느 하나인 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
  10. 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 장치에 있어서,
    원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하고, 상기 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하는 채널 산정부; 및
    상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하는 반경 산정부
    를 포함하고,
    상기 원형 배열 안테나는,
    송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나를 포함하며, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA) 또는 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)이고,
    상기 반경 산정부는,
    상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 상기 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하되, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나가 각각 5개 이상인 경우, 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합은 부분적인 볼록 함수 형태로 이루어져 함수의 극소점을 얻을 수 있는 해 중 가장 작은 값을 이용하여 최적의 반경을 구하며,
    상기 최적의 반경은, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻는 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 채널 산정부는,
    복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나 사이의 거리를 통해 상기 채널 계수를 산정하는 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 원형 배열 안테나는,
    복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나인 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 반경 산정부는,
    상기 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하되, 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 채널의 특이값(singular value)이 모두 같도록 유니타리 행렬(unitary matrix)이 되는 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 장치.
  14. 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템에 있어서,
    송신 신호는 동일한 전력으로 프리코더 없이 전송되어 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정하는 송신단; 및
    상기 채널 행렬의 켤레 전치로 신호를 수신하는 수신단
    을 포함하고,
    상기 원형 배열 안테나는,
    송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나를 포함하며, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나의 배열이 정렬된 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA) 또는 상기 송신단 원형 배열 안테나와 상기 수신단 원형 배열 안테나가 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나(Uniform Circular Array: UCA)이고,
    상기 송신단은,
    원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정하고, 상기 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 상기 채널 행렬을 산정하며, 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 상기 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구하여, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻고, 상기 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻기 위해 상기 원형 배열 안테나의 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 최소가 되는 값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 구하되, 상기 송신단 원형 배열 안테나와 수신단 원형 배열 안테나가 각각 5개 이상인 경우, 채널의 열벡터들의 내적의 절대값의 합은 부분적인 볼록 함수 형태로 이루어져 함수의 극소점을 얻을 수 있는 해 중 가장 작은 값을 이용하여 최적의 반경을 구하는 것
    을 특징으로 하는, 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 수신단은,
    상기 채널 행렬의 켤레 전치(conjugate transpose)를 이용한 제로 포싱(zero-forcing) 수신기로 구현되는 것
    을 특징으로 하는, 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템.
  17. 삭제
  18. 제14항에 있어서,
    상기 원형 배열 안테나는,
    복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나로 이루어지며, 각각 5개 이상의 안테나를 갖는 원형 배열 안테나인 것
    을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템.
KR1020180012761A 2017-11-01 2018-02-01 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법 KR102079436B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170144443 2017-11-01
KR20170144443 2017-11-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190049337A KR20190049337A (ko) 2019-05-09
KR102079436B1 true KR102079436B1 (ko) 2020-02-19

Family

ID=66545898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180012761A KR102079436B1 (ko) 2017-11-01 2018-02-01 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102079436B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102644271B1 (ko) * 2020-03-02 2024-03-06 삼성전자주식회사 무선 통신을 위한 안테나 배치 시스템 및 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100888649B1 (ko) 2006-12-01 2009-03-13 한국전자통신연구원 Ｍｉｍｏ 시스템에서 송신 신호 검출을 위한 복호 장치 및방법
JP2015073260A (ja) * 2013-09-04 2015-04-16 富士通株式会社 無線通信システム、及び、無線通信方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060130806A (ko) * 2005-06-08 2006-12-20 삼성전자주식회사 코드북 기반 폐루프 방식의 다중 송수신 안테나 시스템에서송수신 장치 및 방법
KR100785852B1 (ko) 2006-06-26 2007-12-14 한국전자통신연구원 직교 주파수 분할 다중 접속 기반 무선 통신 시스템에서의전송효율 최대화를 위한 서브채널 할당 및 고정빔 형성전송 방법 및 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100888649B1 (ko) 2006-12-01 2009-03-13 한국전자통신연구원 Ｍｉｍｏ 시스템에서 송신 신호 검출을 위한 복호 장치 및방법
JP2015073260A (ja) * 2013-09-04 2015-04-16 富士通株式会社 無線通信システム、及び、無線通信方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190049337A (ko) 2019-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10812158B2 (en) Antenna array codebook with beamforming coefficients adapted to an arbitrary antenna response of the antenna array
KR102507116B1 (ko) 통신 시스템에서 빔포밍이 적용된 기준 신호를 운용하는 방법 및 장치
KR101718282B1 (ko) 가시선 채널 환경에서 부배열 안테나를 이용한 균일 원형 배열 안테나 시스템 및 그의 빔포밍 방법
US11973549B2 (en) Receiver, transmitter, system and method employing space-delay precoding
US10305563B2 (en) Massive antenna-based pattern/polarization beam division, multiple access method, and apparatus performing the same
CN107508774B (zh) 联合信道表示和波束设计的毫米波mimo信道估计方法
US11258498B2 (en) Hybrid beamforming in communication systems
US11539409B2 (en) Antenna array codebook with beamforming coefficients adapted to an arbitrary antenna response of the antenna array
KR102132808B1 (ko) 어레이 안테나를 위한 채널 정보 피드백 방법 및 장치
JP2010166316A (ja) Ｍｉｍｏ通信システム
CN102265523A (zh) 用于无线通信系统中的节点之间的通信的装置和方法
JP2018514994A (ja) ビーム情報取得方法、装置及び通信システム
CN105991172A (zh) 天线阵列的虚拟化模型选择方法、装置以及通信系统
KR20160000222A (ko) 다운링크 mu-mimo을 위한 반복적 간섭 정렬 방법 및 장치
KR102079436B1 (ko) 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템과 그 설계 장치 및 방법
KR20170065252A (ko) Los 환경에서 채널 용량을 늘리기 위한 다중입출력 방법 및 장치
US9054752B2 (en) High rate RF link technology utilizing near-maximum likelihood MIMO signal processing
KR101819318B1 (ko) 제한된 채널 피드백 환경에서 다중 사용자 다중 안테나 시스템의 효율적 간섭 제거 방법 및 그 시스템
CN107306512B (zh) 模式/极化天线装置
KR20230024713A (ko) 저복잡도를 갖는 지능형 반사 표면에서의 최적 위상 변이 조절 방법 및 장치
KR102182810B1 (ko) Ofdm 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법
Cheng et al. Progressive channel estimation for ultra-low latency millimeter-wave communications
KR101798341B1 (ko) 밀리미터 웨이브 채널에서의 빔 패턴 추정 방법
KR101510588B1 (ko) 다중 사용자 ｍｉｍｏ 간섭 채널에서의 하이브리드 무선／기저대역 시스템 설계 방법
KR102103667B1 (ko) 다중 사용자 빔포밍 시스템의 다중모드 전송 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant