테라헤르츠 대역 주파수에서 근거리 무선 통신 응용을 위한 채널 모델 및 무선 링크 성능 분석 Channel Model and Wireless Link Performance Analysis for Short-Range Wireless Communication Applications in the Terahertz Frequency원문보기
본 논문에서는 현재 주목을 받고 있는 테라헤르츠 대역의 주파수에서 근거리 무선 통신 응용을 위한 채널 모델과 무선 링크의 성능 분석에 대하여 서술한다. 10 Gbps 이상의 전송 속도를 실현하기 위해서는 주파수 대역폭이 기존의 밀리미터파에서 사용하는 주파수 대역폭보다 더 넓은 대역폭이 필요하며, 이 대역폭을 얻기 위해서는 테라헤르츠 주파수 대역으로 자연적으로 옮겨가지 않을 수 없다. ITU-R P.676-7 모델을 이용하여 테라헤르츠 대역의 대기 전파 감쇠 특성 분석 결과, 중심 주파수 220, 300, 350 GHz에서 약 68, 48, 45 GHz의 주파수 대역폭이 가용하며, 스펙트럼 효율이 1 이하인 변조 방식으로도 10 Gbps 이상의 데이터 속도를 얻을 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 간략화 PDP 모델을 이용하여 실내 공간의 건물 재질에 따른 지연 특성을 분석하였다. 실내 공간의 크기 $6\;m(L){\times}5\;m(W){\times}2.5\;m(H)$에서 콘크리트 벽의 경우 TE 편파에서 RMS 지연 확산은 9.23 ns였다. 이 결과는 참고문헌의 Ray-Tracing 시뮬레이션에서 얻은 10 ns 이내에 근접한다. 옥내 무선 링크 성능 분석 결과, 수신기의 감도는 BPSK 변조 방식을 사용하는 경우 대역폭 $5{\sim}50\;GHz$에 대하여 $-56{\sim}-46\;dBm$이고, 안테나 이득은 10 m 링크에서 $26.6{\sim}31.6\;dBi$였다. AWGN 채널과 LOS 환경을 가정할 때 송신기 출력 -15dBm에서 캐리어 주파수 220, 300, 350 GHz일 때 최대 달성 가능한 데이터 속도는 각각 30, 16, 12 Gbps였다. 이 결과는 BPSK 변조 방식을 사용하여 1 m 링크에서 얻은 결과이다. BER은 $10^{-12}$으로 가정하였고, 송신기 출력을 증가시키면 더욱 높은 데이터 속도를 얻을 수 있다.
본 논문에서는 현재 주목을 받고 있는 테라헤르츠 대역의 주파수에서 근거리 무선 통신 응용을 위한 채널 모델과 무선 링크의 성능 분석에 대하여 서술한다. 10 Gbps 이상의 전송 속도를 실현하기 위해서는 주파수 대역폭이 기존의 밀리미터파에서 사용하는 주파수 대역폭보다 더 넓은 대역폭이 필요하며, 이 대역폭을 얻기 위해서는 테라헤르츠 주파수 대역으로 자연적으로 옮겨가지 않을 수 없다. ITU-R P.676-7 모델을 이용하여 테라헤르츠 대역의 대기 전파 감쇠 특성 분석 결과, 중심 주파수 220, 300, 350 GHz에서 약 68, 48, 45 GHz의 주파수 대역폭이 가용하며, 스펙트럼 효율이 1 이하인 변조 방식으로도 10 Gbps 이상의 데이터 속도를 얻을 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 간략화 PDP 모델을 이용하여 실내 공간의 건물 재질에 따른 지연 특성을 분석하였다. 실내 공간의 크기 $6\;m(L){\times}5\;m(W){\times}2.5\;m(H)$에서 콘크리트 벽의 경우 TE 편파에서 RMS 지연 확산은 9.23 ns였다. 이 결과는 참고문헌의 Ray-Tracing 시뮬레이션에서 얻은 10 ns 이내에 근접한다. 옥내 무선 링크 성능 분석 결과, 수신기의 감도는 BPSK 변조 방식을 사용하는 경우 대역폭 $5{\sim}50\;GHz$에 대하여 $-56{\sim}-46\;dBm$이고, 안테나 이득은 10 m 링크에서 $26.6{\sim}31.6\;dBi$였다. AWGN 채널과 LOS 환경을 가정할 때 송신기 출력 -15dBm에서 캐리어 주파수 220, 300, 350 GHz일 때 최대 달성 가능한 데이터 속도는 각각 30, 16, 12 Gbps였다. 이 결과는 BPSK 변조 방식을 사용하여 1 m 링크에서 얻은 결과이다. BER은 $10^{-12}$으로 가정하였고, 송신기 출력을 증가시키면 더욱 높은 데이터 속도를 얻을 수 있다.
In this paper, channel model and wireless link performance analysis for the short-range wireless communication system applications in the terahertz frequency which is currently interested in many countries will be described. In order to realize high data rates above 10 Gbps, the more wide bandwidths...
In this paper, channel model and wireless link performance analysis for the short-range wireless communication system applications in the terahertz frequency which is currently interested in many countries will be described. In order to realize high data rates above 10 Gbps, the more wide bandwidths will be required than the currently available bandwidths of millimeter-wave frequencies, therefore, the carrier frequencies will be pushed to THz range to obtain larger bandwidths. From the THz atmospheric propagation characteristics based on ITU-R P.676-7, the available bandwidths were calculated to be 68, 48 and 45 GHz at the center frequencies of 220, 300 and 350 GHz, respectively. With these larger bandwidths, it was shown from the simulation that higher data rate above 10 Gbps can be achieved using lower order modulation schemes which have spectral efficiency of below 1. The indoor propagation delay spread characteristics were analyzed using a simplified PDP model with respect to building materials. The RMS delay spread was calculated to be 9.23 ns in a room size of $6\;m(L){\times}5\;m(W){\times}2.5\;m(H)$ for the concrete plaster with TE polarization, which is a similar result of below 10 ns from the Ray-Tracing simulation in the reference paper. The indoor wireless link performance analysis results showed that receiver sensitivity was $-56{\sim}-46\;dBm$ over bandwidth of $5{\sim}50\;GHz$ and antenna gain was calculated to be $26.6{\sim}31.6\;dBi$ at link distance of 10m under the BPSK modulation scheme. The maximum achievable data rates were estimated to be 30, 16 and 12 Gbps at the carrier frequencies of 220, 300 and 350 GHz, respectively, under the A WGN and LOS conditions, where it was assumed that the output power of the transmitter is -15 dBm and link distance of 1 m with BER of $10^{-12}$. If the output power of transmitter is increased, the more higher data rate can be achieved than the above results.
In this paper, channel model and wireless link performance analysis for the short-range wireless communication system applications in the terahertz frequency which is currently interested in many countries will be described. In order to realize high data rates above 10 Gbps, the more wide bandwidths will be required than the currently available bandwidths of millimeter-wave frequencies, therefore, the carrier frequencies will be pushed to THz range to obtain larger bandwidths. From the THz atmospheric propagation characteristics based on ITU-R P.676-7, the available bandwidths were calculated to be 68, 48 and 45 GHz at the center frequencies of 220, 300 and 350 GHz, respectively. With these larger bandwidths, it was shown from the simulation that higher data rate above 10 Gbps can be achieved using lower order modulation schemes which have spectral efficiency of below 1. The indoor propagation delay spread characteristics were analyzed using a simplified PDP model with respect to building materials. The RMS delay spread was calculated to be 9.23 ns in a room size of $6\;m(L){\times}5\;m(W){\times}2.5\;m(H)$ for the concrete plaster with TE polarization, which is a similar result of below 10 ns from the Ray-Tracing simulation in the reference paper. The indoor wireless link performance analysis results showed that receiver sensitivity was $-56{\sim}-46\;dBm$ over bandwidth of $5{\sim}50\;GHz$ and antenna gain was calculated to be $26.6{\sim}31.6\;dBi$ at link distance of 10m under the BPSK modulation scheme. The maximum achievable data rates were estimated to be 30, 16 and 12 Gbps at the carrier frequencies of 220, 300 and 350 GHz, respectively, under the A WGN and LOS conditions, where it was assumed that the output power of the transmitter is -15 dBm and link distance of 1 m with BER of $10^{-12}$. If the output power of transmitter is increased, the more higher data rate can be achieved than the above results.
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문제 정의
Site-Specific 모델은 실내의 기하학적 구조 및 건물 재질, 가구 배치 등에 대한 상세한 정보를 필요로 하며, UTD(Uniform Theory of Diffraction)이나 ray-tracing 기법을 사용한다. 본 논문에서는 site-general 모델로서 간략화 PDP 모델阀을 사용하여 채널의 지연 특성을 예측하였다. PDP 모델은 지연시간과 반사파의 LOS 파에 대한상대적인 크기로 표현된다.
가설 설정
그림 11과 같다. 여기서, 수신기의 잡음지수(NF)는 10 dB, BW=5~50 GHz, BER=1"2로 가정하였다.
송신기와 수신기는 LOS를 유지한다. Uncoded BERe 10-12 으로 가정하였다.
그러나 테라헤르츠 대역에서의 통신은 고지향성 안테나를 사용하는 LOS 환경으로 가정할 수 있으므로 1SI가 없다고 보고 본 장에서는 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널 모델을 가정하여 송신 기와 수신 기간의 거리 1~ 10m에서 변조 방식에 따른 최대 달성 가능한 데이터 속도를 예측하였다. 송신기와 수신기는 LOS를 유지한다.
먼저, 송신기와 수신기간의 거리에 따른 수신기 입력 전력 %을 계산한다. 송신기의 출력 전력 Pm, = -15 dBm, 송신기 및 수신기의 안테나 이득은 각각 30 dBi, 수신기 잡음지수(NF)는 10 dB, 링크 마진은 10 dB로 가정한다. 그림 14는 220, 300, 350 GHz의캐리어 주파수에서 거리에 따른 수신 전력을 나타낸다.
5 m 크기의 실내 공간에서 유전체미러로 도포된 피코 셀(Pico-cell) 내에서의 채널 특성을 관찰하기 위하여 Ray-Tracing 시뮬레이션을 하였다. 이 논문에서는 LOS 경로와 한 번 반사된 경로 및 두 번 반사된 경로만을 가정하였다. 여기서 사용한 반사파는 일반적인 다중 경로 개념과는 달리 옥내 환경에서 사람의 이동에 의해 LOS 경로를 차단하는 경우, 우회 경로로서 이용하기 위한 방법으로 "Directed NLOS" 개념이다.
보인다. 첫 번째 반사파의 지연시간은 却2이다. PDP로부터 RMS 지연시간 5는 식 (4)로부터구할 수 있다고 실내 공간의 크기에 따른 특성 시간 k, 첫 번째 반사파의 도달 시간 평균 Excess 지연시간 TD, RMS 지연시간 E는 표 3에 나타내었으며, 반사 횟수는 户5까지 적용하였다.
제안 방법
본 무선전송 실험을 계기로 동 대학의 테라헤르츠 통신실험실(TCL)에서는 10 Gbps급 이상의 전송 속도 실현을 위하여 연구를 수행하고 있다同 HDTV 등 디지털 비디오 신호 전송을 목표로 옥내 통신 응용을 위한 주요 부품 및 채널 모델 등에 대한 연구가 주로 추진되고 있다. 300 GHz 대역에서 아나로그 비디오 신호전송 실험을 수행하여 10 m 거리에서 DVD 플레이어의 아나로그 비디오 신호를 PC 내장 표준 TV 카드로 전송된 영상을 재현하였다可
m장에서는 옥내 환경에서 실내 공간의 크기와 실내 공간을 구성하는 벽면,가구 등의 재질에 따른 PDP(Power Delay Profile) 모델을 구하고 이로부터 다중 경로에 의한 RMS 지연확산(delay spread)을 예측하였다. IV장에서는 현재가용 한 RF 송수신 핵심 부품의 성능 파라미터를 고려하여 안테나 이득, 수신기의 감도, 신호 대 잡음비 (SNR), 변조 방식, 달성 가능한 데이터 전송 속도 (Gbps), BER 등 시스템 레벨 의 무선 링크 성능을 분석하였고. V장에서는 결론을 기술하였다.
THz 대역의 대기 전파 특성을 ITU 모델을 이용하여 면밀히 분석하였고, 무선 통신 응용을 위한 대기흡수가 낮은 주파수 윈도우와 가용 대 역폭을 도출하였다. THz 대역의 가용 대역폭은 약 40 GHz 이상이며, 이 대역폭으로 스펙트럼 효율이 낮은 변조 방식으로도 10 Gbps 이상의 데이터 속도를 얻을 수 있다.
THz 실내 통신은 기본적으로 고지향성 안테나를 사용하는 LOS 환경이나 LOS에서도 전파의 산란에 의해 다중 경로가 발생하므로 Ricean 페이딩 채널 모델을 가정하여 K-factor에 따른 BER 성능의 열화를 분석하였다. 시스템 레벨의 링크 성능 분석시 다중 경로에 의한 페이딩 마진을 적어도 10 dB 이상을 고려해야 함을 시뮬레이션 결과로 보였다.
다음에, AWGN 채널 모델에서 요구되는 幼/M에 대한 잡음전력 Me 열잡음 모델식 N=kBTBc으로부터구하였다. 여기서, 灯는 Boltzmann 상수, 7는 절대 온도(K), 禺는 신호의 대역폭이다.
본 논문에서는 100~1,000 GHz 범위에 대한 테라헤르츠 대역의 전파 특성, 주파수 윈도우 및 가용 대역폭을 ITU-R P.676-7(2007) 모델坷을 이용하여 도출하였고, 220 GHz 대역에서 10 Gbs급 무선 전송을 위한 옥내 채널 모델 및 무선 링크의 성능을 분석하였다. 본 논문의 II장에서는, 테라헤르츠 대역의 자유 공간 손실, 강우 감쇠, 대 기 흡수(田0, 。2)에 의 한 감쇠 등의 전파 특성을 분석하여 주파수 윈도우와가용 대역폭을 도줄하였다.
본 장에서는 RF 송수신 핵심 부품의 현 성능 수준을 고려하여 안테나 이득, 수신기 잡음지수 및 수신감도(sensitivity), 변조 방식에 따른 BER 성능 등을시스템 레벨에서 분석하였다. 그림 9는 테라헤르츠 대역의 무선 링크 성능 분석을 위한 모델 다이아그램이며, 송신부, 채널, 수신부의 파라미터는 다음과 같이 정의된다.
RMS 지연 확산은 ISI (Inter-Symbol Interference)에 크게 영향을 미쳐 통신시스템의 BER 성능을 좌우한다. 본 장에서는 간략화 PDP 모델을 이용하여 220 GHz, 300 GHz, 350 GHz에서 실내 공간의 크기 및 건물의 재질에 따른 채널 특성을 기술한다. 참고문헌 [12]의 결과와 비교하기 위 하여 실내 공간의 크기는 6 m(L)x5 m(W)x2.
THz 대역의 가용 대역폭은 약 40 GHz 이상이며, 이 대역폭으로 스펙트럼 효율이 낮은 변조 방식으로도 10 Gbps 이상의 데이터 속도를 얻을 수 있다. 옥내 근거리 무선 전송을 위하여 간략화 PDP 모델로부터 건물의 재질에 따른 채널 특성을 분석하였다. 실내 공간의 크기가 6 mx5 mx2.
신호전력의 크기가 다중 경로 성분보다 아주 큰 하나의 LOS파와 여러 다중 경로 성분으로 구성된 채널에서는 이러한 경향이 두드러진다㈣. 하나의 Direct LOS 경로와 많은 다중 경로로 구성된 전파 경로를 갖는 페이딩 채널은 Ricean 분포로 모델링할 수 있다1辺 본 장에서 는 Ricean PDF(Probability Density Function)를 이용하여 LOS파의 크기와 다중 경로에 의한 파의 크기 비율 즉, K-factor에 따른 BER 성능을 분석하였다.
대상 데이터
본 장에서는 간략화 PDP 모델을 이용하여 220 GHz, 300 GHz, 350 GHz에서 실내 공간의 크기 및 건물의 재질에 따른 채널 특성을 기술한다. 참고문헌 [12]의 결과와 비교하기 위 하여 실내 공간의 크기는 6 m(L)x5 m(W)x2.5 m(H) 를 사용하였다.
이론/모형
Site-specific 모델로 구분된다网. Site-Specific 모델은 실내의 기하학적 구조 및 건물 재질, 가구 배치 등에 대한 상세한 정보를 필요로 하며, UTD(Uniform Theory of Diffraction)이나 ray-tracing 기법을 사용한다. 본 논문에서는 site-general 모델로서 간략화 PDP 모델阀을 사용하여 채널의 지연 특성을 예측하였다.
성능/효과
PDP는 그림 7에 나타내었다. 220 GHz에서 smooth 표면과 Rough 표면의 비교 결과를 보였는데 rough 표면에서 PDP 감쇠가 더 크게 나타났다. 이미 예측한 바와 같이 캐리어 주파수가 높으면 PDP의 감쇠가 증가하며, PDP 특성은 주파수 의존성이 대단히 크다고 볼 수 있다.
7 dB에 해당한다. 결론적으로, 목표로 하는 BER 성능을 만족하기 위하여 링크 버짓 설계시 변조 방식에 따라 요구되는 (Wo> 값에 부가하여 페이딩 마진을 더하여야 한다. 본 예에서는 페이딩 마진이 13.
링크 성능 분석을 통하여 안테나 이득은 30 dBi 정도가 필요하며, 변조 방식 BPSK를 사용할 때 최대 달성 가능한 데이터 속도는 송신기 출력을 -15 dBm으로 가정하면 1 m 링크에서 220, 300, 350 GHz 의 경우 각각 30, 16, 12 Gbps였다. THz 대역에서는 스펙트럼 효율이 높은 변조 방식보다는 대역폭이 충분히 넓으므로 간단한 변조 방식을 사용하는 편이 기저 대역 모뎀의 복잡도를 줄일 수 있다.
분석하였다. 시스템 레벨의 링크 성능 분석시 다중 경로에 의한 페이딩 마진을 적어도 10 dB 이상을 고려해야 함을 시뮬레이션 결과로 보였다.
여기서 사용한 반사파는 일반적인 다중 경로 개념과는 달리 옥내 환경에서 사람의 이동에 의해 LOS 경로를 차단하는 경우, 우회 경로로서 이용하기 위한 방법으로 "Directed NLOS" 개념이다. 즉, 반사파를 이용한 LOS 통신을 하는 것으로서 반사 계수가 1에 가까운 전방향 유전체 미러(omni-direetional dielectric mirror)를사용하여 옥내 벽면에 의한 반사파의 반사율을 미러가 없는 경우에 비해 상당히 증대시키는 효과를 보였다.
지난 30년간을 관찰해 본 결과, 무선 데이터 속도의 지수적 성장을 감안하면 무선의 전송 용량은 매 1.5년마다 2배씩 증가해 왔으며, 현재 시점에서 10년 이내에 약 15 Gbps의 데이터 속도가 필요할 것으로 판단되며, 초고속 통신 기술의 발전으로 데이터 전송속도는 유선 통신 시스템의 용량에 접근할 것이다'1.
후속연구
따라서, 이들은 미래의 요구사항을 만족하는 충분히 높은 데이터 속도를 제공할 수 없으며, 향후 무선 근거리 통신 네트워크는 조만간 테라헤르츠 주파수 대역으로 이동할 것으로 예측된다. 테라헤르츠 대역은 기존의 밀리미터파에서 가용한 통신 대역폭보다 훨씬 넓은 대역폭을 제공해 줄 수 있어 아주 매력적이다.
또한, 독일의 Fraunhofer IAF에서는 200 GHz 이상에서 동작하는 LNA, Mixer 등 RF 핵심 MMIC를 개발하고 있다顷岡 현재의 기술 수준을 고려해 볼 때G-대역(140~220 GHz) 및 H-대역(220~325 GHz)의 RF MMIC 핵심 부품은 5년 이내에 상용화될 것으로 기대되며, 이를 이용한 초고속(10 Gbps급 이상) 무선전송 시스템이 개발될 것으로 생각된다.
미래 무선 통신 시스템의 기가 비트급 전송 속도는 초광대역 (ultra-broadband) 의 주파수 대역폭을 요구하는 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
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