KR20190049337A - Design of mimo system with uniform circular array over los channel and designing apparatus and method thereof - Google Patents

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KR20190049337A KR1020180012761A KR20180012761A KR20190049337A KR 20190049337 A KR20190049337 A KR 20190049337A KR 1020180012761 A KR1020180012761 A KR 1020180012761A KR 20180012761 A KR20180012761 A KR 20180012761A KR 20190049337 A KR20190049337 A KR 20190049337A
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Abstract

Proposed are a multi-input multi-output (MIMO) system using a circular array in a line of sight (LOS) channel environment, an apparatus for designing the MIMO system, and a method for designing the MIMO system. According to an embodiment of the present invention, the method for designing an MIMO system using a circular array in a LOS channel environment comprises the steps of: calculating a channel coefficient of the circular array; estimating a channel matrix of the circular array by converting the channel coefficient into a determinant; and obtaining an optimal radius of the circular array for obtaining the maximum channel capacity in the channel matrix, wherein the optimal radius can obtain the maximum frequency efficiency in the LOS channel.

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}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment,

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. The present invention relates to a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment, and more particularly to a multi-antenna system using a circular array antenna in a line-of-sight channel environment, and more particularly, And more particularly to a multi input multiple output (MIMO) system using a uniform circular array (UCA) antenna.

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. Recently, as the commercial communication band shifts to the millimeter wave band, research on the communication system in the visible channel environment is increasing. Particularly, a technology for realizing a high-speed transmission using a uniform circular array antenna in a visible-line environment has been researched steadily. Uniform circular array antennas have discrete Fourier transform (DFT) and discrete Fourier transform (DFT) without channel information at the transmitting / receiving end because the transmitting / receiving channel matrix becomes a circulating matrix unlike the conventional uniform linear array (ULA) The inverse discrete Fourier transform (IDFT) can easily diagonalize the channel matrix. This property is useful for designing an actual transceiver stage because it is established irrespective of the antenna array radius or transmission distance. In addition, since this characteristic can be applied to a system using a subarray antenna, the design of the beamformer can be simplified.

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. According to recent research results, spatial multiplexing gain can be obtained through optimized antenna arrangement in the channel environment of visible line. According to these results, the optimal antenna arrangement satisfies the condition that the channel is an orthogonal matrix, which can be expressed as a function of the transmission frequency, the array size, and the transmission distance. When this condition is satisfied, the channel becomes an orthogonal matrix and has the same singular values, and as a result, the maximum frequency efficiency can be obtained at a limited transmission power. The optimum antenna placement condition depends on the antenna array type. In a uniform linear array antenna system, the distance between the antennas required for the optimized antenna arrangement increases as the communication distance increases. In a uniform circular array antenna system, the diameter of the circular array antenna is proportional to the transmission distance. If the number of antennas is 4 or less, the channel matrix becomes an orthogonal matrix if the following condition is satisfied.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, R은 원형 배열 안테나의 반지름, D는 통신거리,

Figure 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. Where R is the radius of the circular array antenna, D is the communication distance,
Figure pat00002
Represents the carrier frequency wavelength. However, if the number of antennas becomes larger than 4, the above condition does not hold. In addition, the proposed optimal antenna arrangement assumes a situation where the center axes of the uniform circular antenna array of transmitting and receiving ends coincide and the array surfaces are perfectly parallel. In this paper, we propose an optimal antenna placement method in case of misalignment. Previous studies have focused on linear array antennas and rectangular array antennas.

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.Korean Patent No. 10-0785852 discloses a multi-antenna system using a circular array antenna in a subchannel allocation and fixed beamforming transmission line channel environment for maximizing transmission efficiency in such an orthogonal frequency division multiple access based wireless communication system, And a description of the method.

한국등록특허 10-0785852호Korean Patent No. 10-0785852

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. Embodiments describe a multi-antenna system using a circular array antenna in a line-of-sight channel environment and a designing apparatus and method thereof, and more specifically, a technique for obtaining a maximum frequency efficiency at a given number of antennas at a target transmission distance.

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. Embodiments can obtain a maximum frequency efficiency at a target transmission distance when designing the radius of a uniform circular array antenna and can also be applied to a circular array antenna with a poor alignment, And a designing apparatus and method thereof.

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. A method of designing a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment according to an exemplary embodiment of the present invention includes: estimating a channel coefficient of a circular array antenna; Estimating a channel matrix of the circular array antenna by converting the channel coefficients into a matrix; And obtaining an optimal radius of the circular array antenna for obtaining a maximum channel capacity in the channel matrix, wherein the optimal radius can obtain the maximum frequency efficiency in the line-of-sight channel.

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. The step of estimating the channel coefficient of the circular array antenna may calculate the channel coefficient through a distance between a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas.

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. The circular array antenna may be a circular array antenna having a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas and each having five or more antennas.

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.Wherein the step of obtaining the optimal radius of the circular array antenna for obtaining the maximum channel capacity in the channel matrix is performed by finding a value that minimizes a sum of absolute values of inner products of column vectors of the circular array antenna, And obtaining an optimal radius.

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. The step of obtaining the optimal radius at the target transmission distance may be a unitary matrix such that the singular values of the channels are all equal in order to obtain the maximum channel capacity in the channel matrix.

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.The step of obtaining the optimal radius at the target transmission distance may be performed such that the sum of the absolute values of the inner product of the column vectors of the channel is a partial convex function form so that the optimal value is obtained by using the smallest value You can get the radius.

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.The circular array antenna includes a transmitting end circular array antenna and a receiving end circular array antenna, and may be a uniform circular array (UCA) array in which the array of the transmitting end circular array antenna and the receiving end circular array antenna are aligned.

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. The circular array antenna includes a transmitting end circular array antenna and a receiving end circular array antenna, and the transmitting end circular array antenna and the receiving end circular array antenna may be a uniform circular array (UCA) with an alignment defect.

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. Wherein when the receiving end circular array antenna is rotated at a predetermined angle in the xy plane relative to the transmitting end circular array antenna and when the receiving end circular array antenna is inclined in two directions, And a case where the center axis of the antenna is shifted by a predetermined angle from the center axis of the transmitting end circular array antenna.

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. In an apparatus for designing a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment according to another embodiment, a channel matrix of the circular array antenna is calculated, a channel matrix of the circular array antenna is calculated by converting the channel matrix into a matrix matrix, Mountain government; And a radius calculating unit for obtaining an optimal radius of the circular array antenna that obtains the maximum channel capacity in the channel matrix. The optimal radius can obtain the maximum frequency efficiency in the line-of-sight channel.

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.The channel estimation unit may estimate the channel coefficient through a distance between a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas.

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.Wherein the circular array antenna is a circular array antenna having a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas each having five or more antennas, The uniform circular array antenna (UCA) in which the array of the receiving end circular array antennas is aligned or the uniform circular array antenna (UCA) in which the transmitting end circular array antenna and the receiving end circular array antenna are misaligned .

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. Wherein the radius calculation unit calculates a radius that is the minimum of the sum of the absolute values of the inner product of the column vectors of the circular array antenna and obtains the optimal radius at the target transmission distance, A unitary matrix may be formed so that the singular values of the channels are all equal to each other.

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. In a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment according to another embodiment, a transmission signal may be transmitted without a precoder and passing through a channel matrix with the same power.

상기 채널 행렬의 켤레 전치로 신호를 수신하는 수신단을 더 포함할 수 있다. And a receiver for receiving a signal with a conjugate transpose of the channel matrix.

상기 수신단은, 상기 채널 행렬의 켤레 전치(conjugate transpose)를 이용한 제로 포싱(zero-forcing) 수신기로 구현될 수 있다. The receiving end may be implemented as a zero-forcing receiver using a conjugate transpose of the channel matrix.

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. Wherein the transmitter calculates the channel matrix of the circular array antenna by calculating the channel coefficient of the circular array antenna, converts the channel matrix to a matrix, calculates the channel matrix of the circular array antenna, The radius can be obtained, and the maximum frequency efficiency can be obtained in the visible channel.

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. Wherein the circular array antenna is a circular array antenna having a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas each having five or more antennas, The uniform circular array antenna (UCA) in which the array of the receiving end circular array antennas is aligned or the uniform circular array antenna (UCA) in which the transmitting end circular array antenna and the receiving end circular array antenna are misaligned .

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. Embodiments can provide a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible-line channel environment in which a maximum frequency efficiency is obtained at a given number of antennas at a target transmission distance and a transceiver is also simply implemented, and a designing apparatus and method thereof .

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. According to the embodiments, when designing the radius of the uniform circular array antenna, the maximum frequency efficiency can be obtained at the target transmission distance, and in the visible line channel environment applicable to the uniformly circular array antenna with the defective alignment, An antenna system and its designing apparatus and method can be provided.

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.
FIG. 1 illustrates a uniform circular array antenna system in which a transmitting and receiving antenna array according to an embodiment is perfectly aligned.
FIG. 2 is a graph showing the sum of absolute values of inner products of all normalized column vectors according to an embodiment.
FIG. 3 illustrates a two-way tilted receiving end circular array antenna according to one embodiment.
FIG. 4 illustrates a system in which the center axis of the receiving end circular array antenna is moved according to an embodiment.
5 illustrates a transmit / receive end structure for a circular array antenna system in accordance with an embodiment.
6 is a flowchart illustrating a method of designing a multi-antenna system using a circular array antenna according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are graphs showing frequency efficiency according to an antenna radius according to an embodiment.
FIG. 9 shows frequency efficiency according to a method for implementing a transmitting / receiving end according to an embodiment.

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.
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

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. The present invention relates to a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment, and more particularly to a multi-antenna system using a circular array antenna in a line-of-sight channel environment, and more particularly, And more particularly to a multi input multiple output (MIMO) system using a uniform circular array (UCA) antenna.

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.
Embodiments propose an optimal uniform circular array antenna design method for a multi-antenna system in a visible channel environment. In particular, embodiments suggest the optimal circular array antenna diameter at the target communication distance according to the number of antennas and the transmission frequency. When the radius of the uniform circular array antenna is designed by the method proposed in this embodiment, the maximum frequency efficiency can be obtained at the target transmission distance. The present embodiments are also applicable to a uniformly circular array antenna with a poor alignment. Also, we propose a transceiver structure for a uniform circular array antenna designed by the proposed method.

완벽하게 정렬된 원형 배열 안테나 시스템Fully aligned circular array antenna system

도 1은 일 실시예에 따른 송수신단 배열이 완벽하게 정렬된 균일 원형 배열 안테나 시스템을 나타낸다. FIG. 1 illustrates a uniform circular array antenna system in which a transmitting and receiving antenna array according to an embodiment is perfectly aligned.

본 실시예에서는 가시선 채널 환경에서 반경이 같은

Figure pat00003
(송신 안테나
Figure pat00004
개, 수신 안테나
Figure pat00005
개) 균일 원형 배열 안테나 기반의 통신 시스템을 고려한다. In this embodiment, in the visible channel environment,
Figure pat00003
(radiator
Figure pat00004
Antenna, receiving antenna
Figure pat00005
Consider a communication system based on a uniform circular array antenna.

도 1을 참조하면, 예를 들어 송수신단 배열이 완벽하게 정렬된

Figure 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. Referring to FIG. 1, for example, a transmitter /
Figure pat00006
= 8, wherein the radiuses of the transmitting and receiving end circular array antennas 110 and 120 constituted by the eight antennas 111 and 121 are equal to each other and equal to R It is a circular array antenna system.

여기서, 송신단 원형 배열 안테나(110)의 평면은 xy평면 위에 있고 수신단 원형 배열 안테나(120)는

Figure 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 pat00008
의 계수는 송수신 안테나 사이의 거리에 의해 결정되며, 다음 식과 같이 표현될 수 있다. Here, the plane of the transmitting end circular array antenna 110 is on the xy plane, and the receiving end circular array antenna 120 is
Figure pat00007
And parallel to the plane of the transmitting end circular array antenna 110, and the central axes are all aligned on the z-axis. At this time,
Figure pat00008
Is determined by the distance between the transmitting and receiving antennas, and can be expressed by the following equation.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서,

Figure pat00010
는 송신단 m번째 안테나와 수신단 n 번째 안테나 사이의 거리를 나타내며, 다음 식과 같이 표현될 수 있다. here,
Figure pat00010
Represents the distance between the mth antenna of the transmitting end and the nth antenna of the receiving end and can be expressed by the following equation.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서,

Figure pat00012
Figure pat00013
는 각각 송신단 안테나 사이의 배치 간격 및 수신단 안테나 사이의 배치 간격이다. here,
Figure pat00012
Wow
Figure pat00013
Are the spacing between the transmitting end antennas and the spacing between the receiving end antennas, respectively.

수학식 2와 수학식 3을 통해 얻어진 채널 행렬의 프로베니우스 놈(Frobenius norm)은

Figure pat00014
로 일정하고, 이 때 최대의 채널 용량을 얻기 위해서 채널의 특이값(singular value)이 모두 같아야 한다. The Frobenius norm of the channel matrix obtained through equations (2) and (3)
Figure pat00014
In order to obtain the maximum channel capacity, the channel should have the same singular value.

따라서, 채널은

Figure 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. Therefore,
Figure pat00015
When the unitary matrix is multiplied, the singular values of the channel become equal to each other. In order that the channel becomes a unitary matrix, the inner product of all column vectors must be zero. The inner product of the kth and lth column vectors of the channel matrix can be expressed as:

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00016
Figure pat00016

여기서,

Figure pat00017
이다. here,
Figure pat00017
to be.

Figure pat00018
Figure pat00019
라 정의하면 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
To
Figure pat00019
, The sum of the absolute values of the inner product of all column vectors can be expressed by the following equation.

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00020
Figure pat00020

채널이 유니타리 행렬이 되기 위해서 어떤

Figure pat00021
값에 대해 모든 열벡터들의 내적이 0이 되어야 한다. 따라서 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합이 0이 되는, 즉
Figure pat00022
이 되도록 하는
Figure pat00023
값이 찾고자 하는 값이다. In order for the channel to be a unitary matrix,
Figure pat00021
For values, the inner product of all column vectors must be zero. Therefore, when the sum of the absolute values of the inner products of all the column vectors becomes zero, that is,
Figure pat00022
To be
Figure pat00023
The value is the value you want to find.

안테나 개수가 3개나 4개일 경우 이

Figure pat00024
값이 존재하나, 안테나 개수가 5개 이상일 경우
Figure pat00025
이 되도록 하는
Figure pat00026
값이 존재하지 않는다. If the number of antennas is three or four,
Figure pat00024
Value exists but the number of antennas is 5 or more
Figure pat00025
To be
Figure pat00026
The value does not exist.

본 실시예에서는 안테나 개수가 5개 이상일 경우 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합

Figure pat00027
이 최소가 되는
Figure pat00028
값을 찾아 목표 전송 거리에서 최적의 반경을 찾는 방법을 제공할 수 있다. 이 문제를 수식으로 서술하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. In this embodiment, when the number of antennas is 5 or more, the sum of the absolute values of the inner products of all the column vectors
Figure pat00027
This is the minimum
Figure pat00028
Value to find the optimal radius at the target transmission distance. This problem can be expressed as the following equation.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00029
Figure pat00029

이 때,

Figure 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. At this time,
Figure pat00030
Is a partial convex function form, so there is a minimum point of the function. The optimal radius can be obtained by using the smallest value of the solution in which the minimum point can be obtained.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure pat00031
Figure pat00031

도 2는 일 실시예에 따른 정규화 한 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합을 나타내는 그래프이다. FIG. 2 is a graph showing the sum of absolute values of inner products of all normalized column vectors according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 반송파 주파수가 75GHz이고, 목표 전송 거리

Figure pat00032
일 때, 정규화 한 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합
Figure pat00033
를 나타낸다. 2, when the carrier frequency is 75 GHz and the target transmission distance
Figure pat00032
, The sum of the absolute values of the inner product of all normalized column vectors
Figure pat00033
.

이 때, 모든 열벡터들의 내적의 절대값의 합

Figure pat00034
의 최소값을 얻을 수 있는
Figure pat00035
는3.18이고, 이
Figure pat00036
값을 통해 얻어지는 최적의 균일 원형 배열 안테나의 반경은
Figure pat00037
이 된다.
At this time, the sum of the absolute values of the inner products of all the column vectors
Figure pat00034
To obtain the minimum value of
Figure pat00035
Is 3.18, and
Figure pat00036
The radius of the best uniform circular array antenna obtained by the value is
Figure pat00037
.

정렬 불량인 원형 배열 안테나 시스템Poorly aligned circular array antenna system

본 실시예들은 송수신단 배열의 정렬이 맞는 균일 원형 배열 안테나 시스템뿐만 아니라, 정렬 불량의 균일 원형 배열 안테나 시스템에도 적용이 가능하다. The present embodiments are applicable not only to a uniform circular array antenna system in which the array of the transmitting and receiving ends is aligned, but also to a circular array antenna system with a poor alignment.

본 실시예에서 고려하는 정렬 불량의 경우는 세 가지이다. There are three cases of misalignment to be considered in this embodiment.

먼저, 수신단 원형 배열 안테나가 송신단 원형 배열 안테나에 비해 xy-평면에서

Figure pat00038
만큼 회전한 시스템을 고려한다. 수신단 원형 배열 안테나의 좌표는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. First, the receiving circular array antenna is compared with the transmitting circular array antenna in the xy plane
Figure pat00038
Consider a system that has been rotated as many times as possible. The coordinates of the receiving end circular array antenna can be expressed as follows.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00039
Figure pat00039

여기서,

Figure pat00040
이다.here,
Figure pat00040
to be.

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. Consider the following case where the receiving end circular array antenna is inclined. Ideally, the receive-end array antenna is on a plane parallel to the xy-plane and perpendicular to the xz-plane if the alignment of the receive-and-receive array is correct.

도 3은 일 실시예에 따른 두 방향으로 기울어진 수신단 원형 배열 안테나를 나타낸다. FIG. 3 illustrates a two-way tilted receiving end circular array antenna according to one embodiment.

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 pat00041
만큼, 그리고 y축 방향으로
Figure pat00042
만큼 기울어질 수 있다. Referring to FIG. 3, there is shown a receiving end circular array antenna 310 which is tilted in two directions. For example, the receiving-end circular array antenna 310 inclined in two directions is arranged in the x-axis direction
Figure pat00041
And in the y-axis direction
Figure pat00042
. ≪ / RTI >

이 때, 수신단 안테나의 좌표는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. At this time, the coordinates of the receiving end antenna can be expressed by the following equation.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure pat00043
Figure pat00043

여기서,

Figure pat00044
이고,
Figure pat00045
이다.here,
Figure pat00044
ego,
Figure pat00045
to be.

마지막으로, 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 송신단 원형 배열 안테나의 중심축보다

Figure pat00046
만큼 이동한 경우를 고려한다. Finally, the center axis of the receive-end array antenna is longer than the center axis of the transmit-
Figure pat00046
As shown in FIG.

도 4는 일 실시예에 따른 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 이동된 시스템을 나타낸다. FIG. 4 illustrates a system in which the center axis of the receiving end circular array antenna is moved according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 수신단 원형 배열 안테나의 중심축이 y축에서

Figure pat00047
만큼 기울어진 방향으로
Figure pat00048
만큼 이동한 것을 나타낸다. 여기서, 수신단 원형 배열 안테나의 중심 좌표는
Figure pat00049
이다. 그리고 D는 송수신단 원형 배열 안테나 중심 사이의 거리를 나타낸다. 4, when the center axis of the receiving-end circular array antenna is located on the y-axis
Figure pat00047
In an oblique direction
Figure pat00048
. Here, the center coordinates of the receiving end circular array antenna are
Figure pat00049
to be. And D represents the distance between the centers of the transmitting and receiving end circular array antennas.

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. To simplify the representation of the coordinates, the direction in which the receiving end circular array antenna moves can be set as a new y'-axis. The new x'-axis is thus determined to be perpendicular to the y'-axis. If the center coordinates are expressed based on the new x'-axis and y'-axis, it can be expressed by the following equation.

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure pat00050
Figure pat00050

이 중심 좌표를 기준으로 수학식 8과 수학식 9를 이용하여 n번째 안테나의 좌표를 구하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. If the coordinates of the nth antenna are obtained by using Equation (8) and Equation (9) based on the center coordinates, the following Equation can be obtained.

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure pat00051
Figure pat00051

이를 x'-축, y'-축에서 표현하면 수신단 원형 배열 안테나의 n번째 안테나의 좌표는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. If the x'-axis and y'-axis are expressed in the x'-axis and the y'-axis, the coordinates of the nth antenna of the receiving end circular array antenna can be expressed as follows.

[수학식 12]&Quot; (12) "

Figure pat00052
Figure pat00052

여기서,

Figure pat00053
이고,
Figure pat00054
Figure pat00055
Figure pat00056
번째 원소이다. 마찬가지로, 송신단 원형 배열 안테나의 m번째 안테나의 좌표는
Figure pat00057
이다. 이 때,
Figure pat00058
이다. 이를 이용하여 송수신단 안테나 사이의 거리를 계산하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. here,
Figure pat00053
ego,
Figure pat00054
The
Figure pat00055
of
Figure pat00056
The second element. Similarly, the coordinates of the m < th > antenna of the transmitting array antenna are
Figure pat00057
to be. At this time,
Figure pat00058
to be. The distance between the transmitting and receiving antennas can be calculated using the following equation.

[수학식 13]&Quot; (13) "

Figure pat00059
Figure pat00059

여기서,

Figure pat00060
이므로 1차 테일러 급수를 이용하여 근사를 하면 수학식 13은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure pat00060
(13) can be expressed by the following equation by approximating using the first-order Taylor series.

[수학식 14]&Quot; (14) "

Figure pat00061
Figure pat00061

여기서,

Figure pat00062
이다. 그리고
Figure pat00063
이다. here,
Figure pat00062
to be. And
Figure pat00063
to be.

따라서 세 가지 정렬 불량이 발생한 경우의 채널 계수는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. Therefore, the channel coefficient when three misalignments occur can be expressed as the following equation.

[수학식 15]&Quot; (15) "

Figure pat00064
Figure pat00064

그리고, 이를 행렬식으로 표현하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. Then, it can be expressed by the following equation.

[수학식 16]&Quot; (16) "

Figure pat00065
Figure pat00065

여기서,

Figure pat00066
,
Figure pat00067
, 그리고
Figure pat00068
는 (n, m)번째 원소가
Figure pat00069
인 채널 행렬이다. here,
Figure pat00066
,
Figure pat00067
, And
Figure pat00068
(N, m) < th >
Figure pat00069
Channel matrix.

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. Likewise, the channel matrix of a circular array antenna with a poor alignment must be zero internally of all column vectors in order to become a unitary matrix. The inner product of the kth and lth column vectors of the channel matrix can be expressed as:

[수학식 17]&Quot; (17) "

Figure pat00070
Figure pat00070

여기서,

Figure pat00071
는 크기가 1인 상수이고,
Figure pat00072
이다. here,
Figure pat00071
Is a constant of size 1,
Figure pat00072
to be.

수학식 17의 절대값

Figure pat00073
Figure pat00074
,
Figure pat00075
일 때, 수학식 4의 절대값과 동일하게 된다. 실제 환경에서는
Figure pat00076
,
Figure 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. The absolute value of Equation 17
Figure pat00073
silver
Figure pat00074
,
Figure pat00075
, It becomes equal to the absolute value of the equation (4). In a real environment
Figure pat00076
,
Figure pat00077
It is possible to obtain the optimal radius of the circular array antenna system with the defective alignment under the same condition as that of Equation 6, which is an optimization condition for obtaining the optimal radius of the perfectly aligned circular array antenna, and can be expressed by the following equation.

[수학식 18]&Quot; (18) "

Figure pat00078

Figure pat00078

아래에서는 간단한 송수신단 설계에 대해 설명한다. The following section describes a simple transceiver design.

본 실시예에 따라 제안한 방법을 이용하여 얻은 반경으로 원형 배열 안테나를 설계하는 경우 채널 행렬은

Figure 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. In the case of designing a circular array antenna with a radius obtained using the proposed method according to the present embodiment,
Figure pat00079
Is close to the unitary matrix multiplied by. At this time, since the singular values of the channel matrix are almost equal, an optimal transmitter can be realized by a power allocation method of equal size without a precoder at the transmitting end. Also, since the channels are all orthogonal to each other, the receiver can be simply implemented as a zero-forcing receiver. Zero Forcing Receiver G can be designed as follows.

[수학식 19]&Quot; (19) "

Figure pat00080
Figure pat00080

여기서,

Figure 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. here,
Figure pat00081
Is the channel matrix of the real system estimated by the receiving end, and the last relation can be established because the channel matrix is close to the unitary matrix. Therefore, the circular array antenna system designed by the proposed method can be implemented as a conjugate transpose of the channel matrix.

도 5는 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나 시스템을 위한 송수신단 구조를 나타낸다.5 illustrates a transmit / receive end structure for a circular array antenna system in accordance with an embodiment.

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 pat00082
로 신호를 수신할 수 있다. 5, in a transmission / reception terminal structure for a circular array antenna system, a transmission signal 510 x is transmitted without a precoder at the same power, passes through a channel matrix 520 H, (530)
Figure pat00082
Lt; / RTI >

아래에서 원형 배열 안테나 시스템에 대해 하나의 예를 들어 설명한다. An example of a circular array antenna system will be described below.

일 실시예에 따른 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템은 송신단 및 수신단을 포함하여 이루어질 수 있다. A multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment according to an exemplary embodiment may include a transmitter and a receiver.

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. At the transmitting end, the transmitted signal can be transmitted without the precoder at the same power and can pass through the channel matrix. The transmitter estimates the channel coefficient of the circular array antenna by calculating the channel coefficient of the circular array antenna, converts the channel coefficient to the matrix, calculates the optimal radius of the circular array antenna that obtains the maximum channel capacity from the channel matrix, The maximum frequency efficiency can be obtained.

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. Here, the circular array antenna may be a circular array antenna having a transmitting-end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving-end circular array antenna including a plurality of antennas, each having five or more antennas.

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. In addition, the circular array antenna is composed of a uniform circular array (UCA) array in which the array of the transmitting circular array antenna and the receiving circular array antenna are aligned, or the transmitting circular array antenna and the receiving circular array antenna are arranged in a uniform circular array antenna (Uniform Circular Array: UCA).

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. The receiving end can receive the signal at the conjugate of the channel matrix. At this time, the receiver may be implemented as a zero-forcing receiver using a conjugate transpose of the channel matrix.

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. Herein, the circular array antennas of the transmitting and receiving ends are described above, and more specifically, a method and an apparatus for designing a multi-antenna system using the circular array antenna according to one embodiment will be described below.

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.
Embodiments propose a method of designing an optimal radius of a uniform circular array antenna in a visible channel environment and the proposed method can be applied not only to uniform circular array antennas with perfect alignment but also to uniform circular antenna systems with poor alignment . The antenna system of the present embodiment can obtain maximum frequency efficiency for a given number of antennas at a target transmission distance and can obtain independent channel streams as many as the same number of antennas so that a transmitter can be easily designed without a precoder have. In addition, the receiver can be simply implemented as a zero-forcing receiver using a conjugate transpose of a channel matrix.

도 6은 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법을 나타내는 흐름도이다. 6 is a flowchart illustrating a method of designing a multi-antenna system using a circular array antenna according to an embodiment of the present invention.

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.Referring to FIG. 6, a method of designing a multi-antenna system using a circular array antenna according to an exemplary embodiment of the present invention includes a step of calculating a channel coefficient of a circular array antenna using a circular array antenna in a visible channel environment 610), a step 620 of calculating a channel matrix of the circular array antenna by converting the channel coefficients into a matrix equation, and a step 630 of obtaining an optimal radius of the circular array antenna that obtains the maximum channel capacity in the channel matrix Here, the optimal radius can obtain the maximum frequency efficiency in the visible line channel.

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.
Here, the step of obtaining the optimal radius of the circular array antenna that obtains the maximum channel capacity in the channel matrix may be performed by finding a value in which the sum of the absolute values of the inner products of the column vectors of the circular array antenna is minimum, And obtaining an optimal radius.

아래에서는 일 실시예에 따른 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템 설계 방법을 하나의 예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a method for designing a multi-antenna system using a circular array antenna according to an embodiment will be described in more detail with an example.

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. Meanwhile, an apparatus for designing a multi-antenna system using a circular array antenna according to an embodiment of the present invention may include a channel estimation unit and a radius estimation unit, which may be a single system or a separate system.

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. Hereinafter, a method for designing a multi-antenna system using a circular array antenna according to one embodiment will be described in detail through an apparatus for designing a multi-antenna system using a circular array antenna according to an embodiment of the present invention .

단계(610)에서, 채널 산정부는 원형 배열 안테나의 채널 계수를 산정할 수 있다. In step 610, the channel estimator may estimate the channel coefficient of the circular array antenna.

채널 산정부는 복수의 안테나들을 포함하는 송신단 원형 배열 안테나와 복수의 안테나들을 포함하는 수신단 원형 배열 안테나 사이의 거리를 통해 채널 계수를 산정할 수 있다.The channel estimation unit may estimate the channel coefficient through a distance between the transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and the receiving end circular array antenna including a plurality of antennas.

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. Here, the circular array antenna may be a circular array antenna having a transmitting-end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving-end circular array antenna including a plurality of antennas, each having five or more antennas.

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.For example, the circular array antenna may include a transmitting circular array antenna and a receiving circular array antenna, and may be a uniform circular array (UCA) array in which arrangements of the transmitting circular array antenna and the receiving circular array antenna are aligned.

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. In another example, the circular array antenna includes a transmitting end circular array antenna and a receiving end circular array antenna, and the transmitting end circular array antenna and the receiving end circular array antenna may be a uniform circular array (UCA) with a misalignment.

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. In this case, if the receiving circular array antenna is tilted in two directions when the receiving circular array antenna is rotated at a predetermined angle in the xy-plane as compared with the transmitting circular array antenna, And a case where the antenna is shifted by a predetermined angle with respect to the center axis of the transmitting end array antenna.

단계(620)에서, 채널 산정부는 채널 계수를 행렬식으로 변환하여 원형 배열 안테나의 채널 행렬을 산정할 수 있다. In step 620, the channel estimator may calculate the channel matrix of the circular array antenna by transforming the channel coefficients into a determinant.

단계(630)에서, 반경 산정부는 채널 행렬에서 최대의 채널 용량을 얻는 원형 배열 안테나의 최적의 반경을 구할 수 있다. In step 630, the radius calculator may determine an optimal radius of the circular array antenna that obtains the maximum channel capacity in the channel matrix.

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. The radius calculator may include a step of finding a value at which a sum of absolute values of inner products of column vectors of the channels of the circular array antenna is minimized and obtaining an optimum radius at the target transmission distance. For this purpose, the radius estimator may be a unitary matrix such that the singular values of the channels are all equal to obtain the maximum channel capacity in the channel matrix.

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.In addition, the radius calculation unit can obtain the optimal radius by using the smallest value among the solutions in which the sum of the absolute values of the inner product of the column vectors of the channel is a partial convex function, and can obtain the minimum point of the function.

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.
According to embodiments, a method of designing an optimal radius of a uniform circular array antenna in a visible channel environment is provided, and it is applicable not only to uniform circular array antennas with perfectly aligned antennas but also to uniform circular antenna systems with poor alignment .

실시예들에 따른 효과 및 이득을 보이기 위해 모의실험을 통해 실시예에 대한 성능을 확인한다. In order to show the effects and advantages according to the embodiments, the performance of the embodiment is confirmed through simulation.

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. The experimental environment can be expressed as the following equation. In a system that transmits 8 transmission data streams at the same time, the transmission power is adjusted so that the signal-to-noise ratio is 10 dB, and the carrier frequency is set to 75 GHz. The target transmission distance D is 100 m. In this simulation environment, the optimum radius of the circular array antenna at the transmitting / receiving end is 0.45 m obtained by using Equation (7).

먼저, 제안한 방법으로 구한 최적의 반경에서 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있는지 확인한다. First, it is confirmed whether the maximum frequency efficiency can be obtained at the optimum radius obtained by the proposed method.

도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 안테나 반경에 따른 주파수 효율을 나타낸 그래프이다. 7 and 8 are graphs showing frequency efficiency according to an antenna radius according to an embodiment.

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. In Figures 7 and 8, the transmitter considered two methods of power allocation (8x8 UCA equivalent power) to a size equivalent to an optimal power allocation method based on water-filling (8x8 UCA water filling). It is assumed that the receiver is implemented as an optimal receiver.

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 pat00083
이다. Figure 7 illustrates the frequency efficiency of a perfectly aligned circular array antenna based system in accordance with one embodiment. And Figure 8 illustrates the frequency efficiency of a system with a poorly aligned circular array antenna according to one embodiment. The misalignment considered in Figure 8
Figure pat00083
to be.

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.The maximum frequency efficiency of about 26.4bit / s / Hz is obtained for both systems at the optimum radius of 0.45m found by the proposed method. 8 shows that a larger frequency efficiency is obtained when the radius is 0.66 m, but the actual difference is about 0.4 bit / s / Hz. Therefore, considering that the design goal is to obtain the maximum frequency efficiency at the minimum radius, It is reasonable to be a radius. Also, it can be confirmed that the frequency efficiency of the power transmission method using water filling that requires channel information at the transmitter in the optimal radius and the method of transmitting power distribution with the same size without channel information are almost the same. Therefore, This shows that the transmitter design is simple without information.

도 9는 일 실시예에 따른 송수신단 구현 방법에 따른 주파수 효율을 나타낸다. FIG. 9 shows frequency efficiency according to a method for implementing a transmitting / receiving end according to an embodiment.

도 9를 참조하면, 정렬 불량인 원형 배열 안테나 시스템의 송수신단 구현 방법에 따른 주파수 효율을 나타내며, 여기서 고려한 정렬 불량 모델은

Figure pat00084
값들이 모두 각각 평균이 0이고 범위가 -15°~ +15°인 연속균등분포(uniform distribution)를 이룬다고 가정하였다. Referring to FIG. 9, frequency efficiency according to a method of implementing a transmitting / receiving end of a circular array antenna system with poor alignment is shown.
Figure pat00084
Values are assumed to form a uniform distribution with an average of 0 and a range of -15 ° to + 15 °, respectively.

비교 시스템은 세 가지로 구성될 수 있다. The comparison system can be composed of three types.

시스템 1(SVD)은 수신단에서 채널 행렬의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 송신단으로 채널 정보 피드백을 보내 구현한 최적의 송수신기 시스템이다. System 1 (SVD) is an optimal transceiver system implemented by sending channel information feedback to the transmitter using Singular Value Decomposition (SVD) of the channel matrix at the receiver.

시스템 2(켤레 전치 ZF 수신기)는 본 실시예에서 제안하는 송신단 프리코더 없이 수신단에서 채널의 켤레 전치만으로 제로 포싱 수신기를 구현한 시스템이다. System 2 (a conjugate transposition ZF receiver) is a system that implements a zero-forcing receiver with only the conjugate of the channel at the receiver without the transmitter precoder proposed in this embodiment.

그리고, 시스템3(수도 역행렬 ZF 수신기)은 송신단 프리코더 없이 수신단에서 기존 방법인 채널의 수도 역행렬(Pseudo-inverse)로 제로 포싱 수신기를 구현한 시스템이다. System 3 (inverse matrix ZF receiver) is a system that implements a zero-forcing receiver with a pseudo-inverse of the channel, which is an existing method, at the receiver without a transmitter precoder.

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.The system 2 proposed in this embodiment can obtain the frequency efficiency almost equivalent to the frequency efficiency obtained in the system 1 requiring the channel information feedback of the transmitting end and the system 3 requiring the complicated calculation at the receiving end. Therefore, the above simulation results show that the system proposed in the present embodiment requires channel information at both the transmitting and receiving ends and does not have optimal transceiver and transmitter channel feedback implemented by complicated singular value decomposition. However, And can be a good alternative to the transceiver system implementing the receiver.

종합하면, 본 실시예에서 제안하는 원형 배열 안테나 시스템은 목표 전송 거리에서 주어진 안테나 개수에서 최대의 주파수 효율을 얻고, 송수신기 또한 간단하게 구현이 가능함을 보여준다.
In sum, the circular array antenna system proposed in this embodiment shows the maximum frequency efficiency at a given number of antennas at the target transmission distance, and the transceiver can also be implemented simply.

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.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, controller, arithmetic logic unit (ALU), digital signal processor, microcomputer, field programmable array (FPA) A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing apparatus may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

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.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device As shown in FIG. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

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. The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (18)

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 최적의 반경은, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻는 것
을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
A multi-antenna system design method using a circular array antenna in a visible channel environment,
Calculating a channel coefficient of the circular array antenna;
Estimating a channel matrix of the circular array antenna by converting the channel coefficients into a matrix;
Obtaining an optimal radius of the circular array antenna for obtaining a maximum channel capacity in the channel matrix
Lt; / RTI >
The optimal radius is to obtain the maximum frequency efficiency in the visible channel
Wherein the method comprises the steps of:
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.
The method according to claim 1,
Wherein the step of estimating the channel coefficient of the circular array antenna comprises:
Calculating the channel coefficient through a distance between a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas
Wherein the method comprises the steps of:
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.
The method according to claim 1,
In the circular array antenna,
A circular array antenna comprising a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas each having five or more antennas
Wherein the method comprises the steps of:
제1항에 있어서,
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 포함하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of obtaining an optimal radius of the circular array antenna for obtaining a maximum channel capacity in the channel matrix comprises:
Finding a value at which a sum of absolute values of inner products of the column vectors of the circular array antenna is minimized and obtaining an optimum radius at a target transmission distance
The method comprising the steps of:
제4항에 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.
5. The method of claim 4,
Wherein the step of obtaining an optimal radius at the target transmission distance comprises:
In order to obtain the maximum channel capacity in the channel matrix, a unitary matrix is formed such that the singular values of the channels are all equal to each other.
Wherein the method comprises the steps of:
제4항에 있어서,
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 구하는 것
을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the step of obtaining an optimal radius at the target transmission distance comprises:
The sum of the intrinsic values of the inner product of the column vectors of the channel is a partial convex function form, and the optimal radius is obtained by using the smallest value of the solution to obtain the minimum point of the function
Wherein the method comprises the steps of:
제1항에 있어서,
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)인 것
을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
The method according to claim 1,
In the circular array antenna,
A uniform circular array (UCA) antenna including a transmitting end circular array antenna and a receiving end circular array antenna, the array of the transmitting end circular array antenna and the receiving end circular array antenna being aligned
Wherein the method comprises the steps of:
제1항에 있어서,
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)인 것
을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 방법.
The method according to claim 1,
In the circular array antenna,
A transmitting end circular array antenna and a receiving end circular array antenna, wherein the transmitting end circular array antenna and the receiving end circular array antenna are uniform circular array antennas (UCA)
Wherein the method comprises the steps of:
제8항에 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.
9. The method of claim 8,
Wherein the uniformly circular array antenna with the misalignment has a non-
In the case where the receiving end circular array antenna is rotated in the xy-plane by a predetermined angle as compared with the transmitting end circular array antenna, when the receiving circular array antenna is inclined in two directions, And a case in which it is moved at a predetermined angle with respect to the central axis thereof
Wherein the method comprises the steps of:
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 최적의 반경은, 가시선 채널에서 최대의 주파수 효율을 얻는 것
을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 장치.
An apparatus for designing a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment,
A channel estimator for estimating a channel matrix of the circular array antenna by calculating a channel coefficient of the circular array antenna and converting the channel matrix into a matrix; And
A radius calculating section for obtaining an optimal radius of the circular array antenna for obtaining a maximum channel capacity in the channel matrix,
Lt; / RTI >
The optimal radius is to obtain the maximum frequency efficiency in the visible channel
Wherein the antenna is a circular array antenna.
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.
11. The method of claim 10,
The channel estimator may include:
Calculating the channel coefficient through a distance between a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas
Wherein the antenna is a circular array antenna.
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 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)인 것
을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템의 설계 장치.
11. The method of claim 10,
In the circular array antenna,
A circular array antenna having a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas, each having at least five antennas,
A uniform circular array antenna (UCA) in which the transmitting end circular array antennas and the receiving end circular array antennas are aligned, or a uniform circular array antenna (Uniform Circular Array Array: UCA)
Wherein the antenna is a circular array antenna.
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.
11. The method of claim 10,
The radius calculation unit may calculate,
The channel matrix of the circular array antenna is obtained by finding a value that minimizes the sum of absolute values of inner products of the column vectors of the circular array antenna and obtaining an optimal radius at the target transmission distance, singular values are all equal to a unitary matrix
Wherein the antenna is a circular array antenna.
가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템에 있어서,
송신 신호는 동일한 전력으로 프리코더 없이 전송되어 채널 행렬을 통과하는 송신단
을 포함하는, 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템.
In a multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment,
The transmission signal is transmitted without a precoder at the same power,
A multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment.
제14항에 있어서,
상기 채널 행렬의 켤레 전치로 신호를 수신하는 수신단
을 더 포함하는, 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템.
15. The method of claim 14,
A receiver for receiving a signal with a conjugate transpose of the channel matrix;
Wherein the multi-antenna system uses a circular array antenna in a visible channel environment.
제15항에 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.
16. The method of claim 15,
Wherein,
A zero-forcing receiver using a conjugate transpose of the channel matrix
A multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment.
제14항에 있어서,
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 얻는 것
을 특징으로 하는, 가시선 채널 환경에서 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템.
15. The method of claim 14,
The transmitting end transmits,
Calculating a channel coefficient of the circular array antenna, calculating the channel matrix of the circular array antenna by converting the channel coefficient to a matrix formula, calculating an optimal radius of the circular array antenna that obtains the maximum channel capacity in the channel matrix, Obtaining the maximum frequency efficiency in the visible channel
A multi-antenna system using a circular array antenna in a visible channel environment.
제17항에 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 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)인 것
을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나를 이용한 다중 안테나 시스템.
18. The method of claim 17,
In the circular array antenna,
A circular array antenna having a transmitting end circular array antenna including a plurality of antennas and a receiving end circular array antenna including a plurality of antennas, each having at least five antennas,
A uniform circular array antenna (UCA) in which the transmitting end circular array antennas and the receiving end circular array antennas are aligned, or a uniform circular array antenna (Uniform Circular Array Array: UCA)
Wherein the multi-antenna system uses a circular array antenna.
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