본 논문에서는 스마트 안테나 기능을 지원하는 mobile-WiMAX 시스템을 구현하였고, 기존의 단일 안테나 m-WiMAX 시스템과 성능을 비교하는 실험을 하였다 스마트 안테나 기능을 지원하는 m-WiMAX 시스템을 구현하기 위해 여러 고려 사항이 있다. 그 중에 스마트 안테나 방식의 특성상 심볼 동기 획득, 빔형성, 캘리브래이션을 특히 잘 구현 해야만 원하는 성능의 스마트 안테나 기지국을 구현할 수 있다. 본 논문에서는 위의 3가지를 구현하였고 3가지가 제대로 구현되었을 때 스마트 안테나 시스템이 단일 안테나 시스템보다 성능이 우수하다는 것을 검증하였다. 4 배열 안테나의 환경에서 스마트 안테나 시스템은 데이터 산출량 관점에서 단일안테나 시스템보다 5.5dB의 성능향상을 실험을 통해 확인할 수 있었고 이는 이론적인 수치인 6dB와 거의 일치하는 결과 이다.
본 논문에서는 스마트 안테나 기능을 지원하는 mobile-WiMAX 시스템을 구현하였고, 기존의 단일 안테나 m-WiMAX 시스템과 성능을 비교하는 실험을 하였다 스마트 안테나 기능을 지원하는 m-WiMAX 시스템을 구현하기 위해 여러 고려 사항이 있다. 그 중에 스마트 안테나 방식의 특성상 심볼 동기 획득, 빔형성, 캘리브래이션을 특히 잘 구현 해야만 원하는 성능의 스마트 안테나 기지국을 구현할 수 있다. 본 논문에서는 위의 3가지를 구현하였고 3가지가 제대로 구현되었을 때 스마트 안테나 시스템이 단일 안테나 시스템보다 성능이 우수하다는 것을 검증하였다. 4 배열 안테나의 환경에서 스마트 안테나 시스템은 데이터 산출량 관점에서 단일안테나 시스템보다 5.5dB의 성능향상을 실험을 통해 확인할 수 있었고 이는 이론적인 수치인 6dB와 거의 일치하는 결과 이다.
In this paper, the mobile-WiMAX (m-WiMAX) using the Smart antenna technique is implemented. Experiments are performed to compare Smart antenna system with conventional single antenna system. To implement the m-WiMAX smart antenna system there are many considerations, key issues of which are symbol t...
In this paper, the mobile-WiMAX (m-WiMAX) using the Smart antenna technique is implemented. Experiments are performed to compare Smart antenna system with conventional single antenna system. To implement the m-WiMAX smart antenna system there are many considerations, key issues of which are symbol time acquisition, beamforming, calibration. In the paper, symbol time acquisition, beamforming, calibration are implemented in WiMAX Smart antenna system and we verified that Smart antenna system is superior to single antenna system. The experimental results show 5.5 dB performance enhancement of implemented Smart antenna system in throughput compared with a single antenna system. The experimental result is almost same as theoretical result of 6 dB.
In this paper, the mobile-WiMAX (m-WiMAX) using the Smart antenna technique is implemented. Experiments are performed to compare Smart antenna system with conventional single antenna system. To implement the m-WiMAX smart antenna system there are many considerations, key issues of which are symbol time acquisition, beamforming, calibration. In the paper, symbol time acquisition, beamforming, calibration are implemented in WiMAX Smart antenna system and we verified that Smart antenna system is superior to single antenna system. The experimental results show 5.5 dB performance enhancement of implemented Smart antenna system in throughput compared with a single antenna system. The experimental result is almost same as theoretical result of 6 dB.
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문제 정의
공간 채널에서 협대역 통신을 하는데 시간과 주파수는 독립적이므로 공간채널을 추정하기 위해 시간영역과 주파수 영역으로부터 충분한 샘플을 수집할 수 있다. 논문에서 빔형성 벡터로 사용된 공간채널을 추정하기 위하여 시간영역과 주파수 영역에서 샘플을 얻는 방식을 제안하였다. 제안한 방식의 절차는 그림 3과 같다.
본논문에서 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국을 구현하는데 필요한 세 가지의 고려 사항을 설명하였다. 세 가지 고려 사항은 레인징 프로세스의 성능, 최적화된 빔형성, 캘리브레이션의 정확성이다.
가설 설정
1. 캘리브레이션 프로세서는 배열안테나의 수만큼 직교하는 테스트 신호를 만든다.
2. 각 배열 안테나의 수신단은 캘리브레이션 안테나에서 보낸 테스트 신호를 동시에 수신한다.
3. 캘리브레이션 안테나는 배열 안테나가 송신한 신호를 수신한다.
제안 방법
5개의 DSP 는 각각 인코딩 (Encoding), 디코딩 (Decoding), 빔형성, 캘리브레이션, 레인징 처리를 위해 사용하였다. 2개의 FPGA는 FFT, IFFT, 업링크 웨이팅 (weighting), 다운 링크 웨이팅, permutation을 위해 사용하였다. GPP는 스마트 안테나 기지국과 네트워크 간의 MAC (Medium Access Control) interface를 위해 사용하였다.
모뎀에서 3개의 DSP는 사용하지 않고 시스템의 확장을 위한 여분으로 남겨 두었다. 5개의 DSP 는 각각 인코딩 (Encoding), 디코딩 (Decoding), 빔형성, 캘리브레이션, 레인징 처리를 위해 사용하였다. 2개의 FPGA는 FFT, IFFT, 업링크 웨이팅 (weighting), 다운 링크 웨이팅, permutation을 위해 사용하였다.
실험을 수행하기 위하여 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국, 6개의 경로를 가진 배열 안테나, 단말 에뮬레이터 (emulator), 신호 발생기, 스펙트럼 분석기, 단말과 기지국에 연결된 서버/클라이언트 노트북을 사용하였다. 6개의 경로를 가진 배열 안테나에서 4개의 경로는 데이터의 송신 및 수신을 위해, 1개의 경로는 캘리브레이션을 위해, 또 다른 1.개의 경로는 스펙트럼 분석기에 연결하여 SNR (signal-to-noise ratio) 을 측정하기 위해 사용하였다.
II장에서 스마트 안테나기지국을 구현하는데 고려해야 할 필수적인 요소에 대한 해결책을 제시하며 HI장에서 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국의 구현을 설명하고 시스템을 구성하는 각각의 구성요소를 세부적으로 설명하였다. IV장에서 구현된 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국의 성능을 단일안테나 기지국의 성능과 비교하였다. 다양한 컴퓨터 시뮬레이션은 실험결과를 증명하기 위하여 수행되었다.
세 가지 고려 사항은 레인징 프로세스의 성능, 최적화된 빔형성, 캘리브레이션의 정확성이다. 논문에서는 세 가지 고려사항을 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국을 구현하는데 적용하였다. 실험결과로 스마트 안테나 기지국은 일반적인 단일 안테나 기지국 보다 5.
논문에서는 위에서 나열한 문제들의 해결책을 제시하였고 이러한 해결책을 이용하여m-WiMAX 스마트안테나 기지국을 구현하였다. II장에서 스마트 안테나기지국을 구현하는데 고려해야 할 필수적인 요소에 대한 해결책을 제시하며 HI장에서 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국의 구현을 설명하고 시스템을 구성하는 각각의 구성요소를 세부적으로 설명하였다.
또한 실험을 뒷받침하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 하였고 측정치와 비교 하였다.
신호 발생기는 AWGN (Additive White Gaussian Noise) 을 발생하여 m--WiMAX 스마트 안테나 기지국의 SNR을 측정하기 위해 사용하였다. 스마트 안테나기지국과 일반적인 단일 안테나 기지국의 성능을 비교하기 위하여, 스마트 안테나 기지국은 두 개의 스마트안테나 모뎀을 사용하였다.
상대 적인 위상 차이는 서로 다르지만 시간에 따라 변하지 않고 고정된 값이다. 실험을 위하여 ax) 심볼 동안 위상 지연을 과 안테나에서 관찰하였다. 그림 Ue 제안한 캘리브레이션을 수행한 후의 RF 와 IF 구간에서 기준 안테나와 나머지 다른 안테나와의 상대 적인 위상 차이를 나타낸 결과이다.
이번 장에서는 구현한 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국의 대하여, 레인징 프로세서를 통하여 얼마나 정확하게 심볼 시간을 추정 하는가, 캘리브레이션을 통해 얼마나 정확하게 위상 지연을 보상하였는가, 데이터 산출량 (data thoughput)는 얼마인가를 알아보는 실험을 하였다. 또한 실험을 뒷받침하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 하였고 측정치와 비교 하였다.
캘리브레이션 안테나는 송신과 수신에서 배열안테나에서 서로 다른 위상 지연 문제를 해결하기 위하여 테스트 신호를 만들어 각각의 배열 안테나로 송신 및 수신한다. m-WiMAX 환경에서 추가 안테나는 배열안테나가 신호를 송신할 때 캘리브레이션 안테나에서는 테스트 신호를 수신하며, 배열안테나가 신호를 수신할 때 캘리브레이션 안테나는 테스트 신호를 송신한다.
방식의 성능 차이를 보여준다. 컴퓨터 시뮬레이션에서 QPSK (Quadrature phase-shift keying) 디지털 변조를 하였으며 스마트 안테나 기지국은 4개의 배열안테나를 사용하도록 설정하였다. 빔형성 과정에서 공간 채널은 웨이트 벡터로 사용하는 라그랑제 승수 (Lagrange multiplier) 기반의 공간채널을 사용하는 알고리즘이 사용되었다.
기지국의 데이터 산출량을 나타내었다. 한 SNR 포인터 당 5분 동안 데이터 레이트를 측정하여 평균값을 구하였다. 기지국에서 데이터 레이트를 측정하기 위해 동영상을 서버 노트북에서 재생하였으며 이는 단말 에뮬레이터에 연결하였다.
대상 데이터
2개의 FPGA는 FFT, IFFT, 업링크 웨이팅 (weighting), 다운 링크 웨이팅, permutation을 위해 사용하였다. GPP는 스마트 안테나 기지국과 네트워크 간의 MAC (Medium Access Control) interface를 위해 사용하였다.
빔형성 과정에서 공간 채널은 웨이트 벡터로 사용하는 라그랑제 승수 (Lagrange multiplier) 기반의 공간채널을 사용하는 알고리즘이 사용되었다.闾 시뮬레이션상에서 채널 환경은 Rayleigh 페이딩 채널이고 최대 도플러 주파수 (Doppler frequency) 는 266.77 Hz로 설정하였다.
SNR을 측정하기 위해 사용하였다. 스마트 안테나기지국과 일반적인 단일 안테나 기지국의 성능을 비교하기 위하여, 스마트 안테나 기지국은 두 개의 스마트안테나 모뎀을 사용하였다. 그 중 한 개의 스마트 안테나 모뎀은 일반적인 단일 안테나 모드로 설정되어 있으며 배열 안테나의 신호 중 한 개의 경로에서만 신호를 받는다.
그림 8은 실험 환경을 나타낸 사진이다. 실험을 수행하기 위하여 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국, 6개의 경로를 가진 배열 안테나, 단말 에뮬레이터 (emulator), 신호 발생기, 스펙트럼 분석기, 단말과 기지국에 연결된 서버/클라이언트 노트북을 사용하였다. 6개의 경로를 가진 배열 안테나에서 4개의 경로는 데이터의 송신 및 수신을 위해, 1개의 경로는 캘리브레이션을 위해, 또 다른 1.
데이터처리
10000 프레임동안의 평균값을 실험결과로 산출하였다. 실험 결과는 그림 2에서 나타난 SNR과 비교할 때 상당히 정확한 수치를 나타냈다.
이론/모형
그러나 이러한 빔형성 방식은 계산량을 증가 시키고 시스템 복잡도를 증가시킨다. 논문에서는 시스템의 계산량과 복잡도를 줄이기 위하여 시간영역뿐 아니라 주파수 영역에서도 공간채널(spatial channel) 을 샘플링하는 빔 형성 방식을 사용하였다.
컴퓨터 시뮬레이션에서 QPSK (Quadrature phase-shift keying) 디지털 변조를 하였으며 스마트 안테나 기지국은 4개의 배열안테나를 사용하도록 설정하였다. 빔형성 과정에서 공간 채널은 웨이트 벡터로 사용하는 라그랑제 승수 (Lagrange multiplier) 기반의 공간채널을 사용하는 알고리즘이 사용되었다.闾 시뮬레이션상에서 채널 환경은 Rayleigh 페이딩 채널이고 최대 도플러 주파수 (Doppler frequency) 는 266.
[8~ 11]은 스마트 안테나의 캘리브레이션 기술을 제안하였다. 이 중 논문에서는 단순하고 정확한 캘리브레이션을 위하여 [11]의 방식을 채택하였다. [11]은 CDMA2000 lx 규격에서 구현되었지만 OFDMA 환경에서도 사용할 수 있다.
성능/효과
제거할 수 있다. 결과적으로 적절한 빔패턴 (beam-pattern) 을 얻을 수 있다.
일반적인 빔형성 방식에서 K개의 샘플을 얻을 수 있다면 제안한 빔형성 방식은 NxK 개의 샘플을 얻을 수 있다. 또한 제안한 빔형성 방식은 적응형 알고리즘 (adaptive algorithm) 을 이용하여 웨이트 벡터를 구하는 방식에서 계산 시간을 상당히 단축 시킬 수 있다. 예를 들면 OFDMA 심볼에서 한 패킷이 8 개의 파일롯 부반송파를 포함하고 적응형 알고리즘이 웨이트를 구하기 위해 30샘플이 필요하다고 가정하면 일반적인 빔형성 방식에는 30개의 심볼이 필요하지만 제안한 빔형성 방식은 4 개의 심볼만이 필요하다.
설명하였다. 세 가지 고려 사항은 레인징 프로세스의 성능, 최적화된 빔형성, 캘리브레이션의 정확성이다. 논문에서는 세 가지 고려사항을 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국을 구현하는데 적용하였다.
논문에서는 세 가지 고려사항을 m-WiMAX 스마트 안테나 기지국을 구현하는데 적용하였다. 실험결과로 스마트 안테나 기지국은 일반적인 단일 안테나 기지국 보다 5.5 dB의 성능 개선이 있음을 보였다.
5dB의 성능 개선을 제공한다. 이는 제안한 빔형성 알고리즘이 스마트 안테나에 구현되었다는 것을 의미한다. 표 2에서의 실험 결과는 4개의 배열 안테나를 사용하였으므로 나타나야 하는 6dB의 성능 개선과 비교하여 결과가 거의 일치함을 보인다.
이는 제안한 빔형성 알고리즘이 스마트 안테나에 구현되었다는 것을 의미한다. 표 2에서의 실험 결과는 4개의 배열 안테나를 사용하였으므로 나타나야 하는 6dB의 성능 개선과 비교하여 결과가 거의 일치함을 보인다.
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