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문제 정의
- 본 논문에서는 2.45 GHz 주파수 대역을 사용하는[1×2] SIMO 시스템에서 수신 안테나의 편파 조합을 통하여 편파가 미치는 영향과 편파의 조합에 따른 성능을 분석하였다.
- 표준화는 다중 안테나 시스템에서 각 안테나마다 다르게 얻어지는 경로 손실에 관계없이 채널의 실제 영향을 보기 위해서 수행하였다.
제안 방법
- 피실험자는 20대 중반 남자이며, 안테나의 편파가 수신 신호에 미치는 영향을 확인할 수 있도록 매 측정마다 누웠다가 앉는 동작을 수행하였다. 또한, 그림 1과 같이 인체를 위치시켜 편파의 변화와 함께 LOS와 NLOS가 미치는 영향도 확인하였다. 수신 안테나 부착 위치는 왼쪽 귀와 오른쪽 귀를 구분하여 측정하였다.
- 본 논문에서는 안테나 편파에 따라 조합을 나누고, 각각의 조합에 따른 통신 성능을 비교하여 분석하였다. 편파의 영향을 고려하기 위하여 송신 안테나는 인체 외부에 지면과 수직으로 고정하였으며, 수신 안테나는 인체의 귀에 부착하여 편파 만을 변화시켜 외부 기기와 헤드셋(headset) 안테나 간의 통신을 고려하였다.
- 본 장에서는 1×2 single input multiple output(SIMO) 에서 송수신 안테나간 편파의 정렬 상태에 따른 수신 신호 세기를 측정하고, 이에 따른 채널 용량을 계산하였다.
- 송신 안테나와 수신 안테나의 거리는 2 m이고, 수신 안테나는 그림 1과 같이 양쪽 귀에 부착하였다. 송신 안테나의 높이는 인체의 귀의 높이와 일치시켜 아래의 각 경우에 대해 측정하였다. 분석은 인체의 움직임이 없는 경우와 있는 경우를 나누어 수행하였으며, 움직임이 없는 경우에는 각각 1초, 움직임이 있는 경우에는 10초 동안 총 1,601개의 데이터를 측정하였다.
- 또한, 그림 1과 같이 인체를 위치시켜 편파의 변화와 함께 LOS와 NLOS가 미치는 영향도 확인하였다. 수신 안테나 부착 위치는 왼쪽 귀와 오른쪽 귀를 구분하여 측정하였다. 그림 3과 표 1은 본 논문에서 수행한 안테나의 편파와 편파의 조합을 나타내었다.
- 신호 발생기에서 2.45 GHz 협대역 신호를 1 mW의 전력으로 송신하고, Rohde & Schwarz사의 ZVB20 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여 수신 신호의 세기를 측정하였다.
- 단일 송신 안테나와 i번째 수신 안테나 사이의 복소수 채널 이득 h1,i는 VNA를 통해 각 부채널의 복소수 전압 이득을 측정함으로써 얻을 수 있다. 위에서 얻은 채널 행렬 H를 통해 협대역 에르고딕(ergodic) 채널 용량을 계산하였으며, SIMO 시스템일 때 채널 용량 공식은 다음과 같다[12],[13] .
- 실험은 다중 경로 신호의 영향을 받는 실제 환경을 고려하기 위해 실내에서 측정하였지만, 안정적인 채널 상태를 유지하기 위하여 외부 물체의 움직임은 없도록 유지하였다. 인체와 인체 외부 간 채널 측정을 위해 송신 안테나는 외부에 고정하였으며, 수신 안테나는 인체 귀에 부착하고 편파를 변화시켰다. 송수신 안테나 모두 기존에 사용한 2.
- 그림 3과 표 1은 본 논문에서 수행한 안테나의 편파와 편파의 조합을 나타내었다. 편파를 지면과의 관계에 따라 수평(H: Horizontal)과 수직(V: Vertical)으로 나누어 총 4개의 편파 조합으로 구분하였으며, 조합 1과 4의 경우는 단일 편파(single polarization)이고, 조합 2와 3의 경우는 복합 편파(hybrid polarization) 조합이다.
- 본 논문에서는 안테나 편파에 따라 조합을 나누고, 각각의 조합에 따른 통신 성능을 비교하여 분석하였다. 편파의 영향을 고려하기 위하여 송신 안테나는 인체 외부에 지면과 수직으로 고정하였으며, 수신 안테나는 인체의 귀에 부착하여 편파 만을 변화시켜 외부 기기와 헤드셋(headset) 안테나 간의 통신을 고려하였다.
- 45 GHz 주파수 대역을 사용하는[1×2] SIMO 시스템에서 수신 안테나의 편파 조합을 통하여 편파가 미치는 영향과 편파의 조합에 따른 성능을 분석하였다. 편파의 영향을 확인하기 위하여 실험 조합을 편파의 조합에 따라 구별하였고, 수신된 신호의 세기 및 채널 용량의 차이를 나타내었다. 인체의 움직임이 없는 경우에는 송신 안테나와 같은 편파를 갖는 경우의 성능이 좋음을 확인하였고, 인체의 움직임이 있는 경우에는 안테나 편파의 조합이 서로 다른 편파를 갖는 복합 편파의 경우가 서로 같은 편파를 갖는 단일 편파의 경우보다 좋은 성능을 갖는 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 송신 안테나의 높이는 인체의 귀의 높이와 일치시켜 아래의 각 경우에 대해 측정하였다. 분석은 인체의 움직임이 없는 경우와 있는 경우를 나누어 수행하였으며, 움직임이 없는 경우에는 각각 1초, 움직임이 있는 경우에는 10초 동안 총 1,601개의 데이터를 측정하였다. 보다 신뢰성을 높이기 위해서 각 측정에 대해 세 번 반복하였다.
- 피실험자는 20대 중반 남자이며, 안테나의 편파가 수신 신호에 미치는 영향을 확인할 수 있도록 매 측정마다 누웠다가 앉는 동작을 수행하였다. 또한, 그림 1과 같이 인체를 위치시켜 편파의 변화와 함께 LOS와 NLOS가 미치는 영향도 확인하였다.
성능/효과
- NLOS 상황에서는 편파의 변화에 따라 수신 신호의 세기가 변하기는 하지만, 그 변화가 LOS의 상황에 비하여 크지 않은 것을 알 수 있다. 결과적으로 안테나의 편파는 NLOS 상황보다 LOS 상황에서 크게 영향을 받는 것을 그림 6를 통해 확인할 수 있다.
- 결과적으로 앞의 두 실험을 통하여 WBAN은 단거리 통신이기 때문에 수신 신호의 크기가 인체의 움직임과 안테나의 편파의 조합에 따라 큰 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 인체의 움직임을 고려하여 안테나의 편파를 복합 편파를 사용함으로써 채널 용량을 높일 수 있다.
- 인체의 움직임이 없는 경우에는 송신 안테나와 같은 편파를 갖는 경우의 성능이 좋음을 확인하였고, 인체의 움직임이 있는 경우에는 안테나 편파의 조합이 서로 다른 편파를 갖는 복합 편파의 경우가 서로 같은 편파를 갖는 단일 편파의 경우보다 좋은 성능을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 안테나가 LOS 상황에서 NLOS 상황에서 보다 편파의 영향을 더 받는 것을 확인하였다. 본 논문의 실험 결과는 인체의 움직임이 있는 실제 상황에서 안테나의 편파 조합과 안테나의 위치가 근거리 WBAN off-body 채널 성능에 영향을 미치는 것을 검증하였다.
- 반면에 송신 안테나와 두 개의 수신 안테나 모두 다른 편파를 갖는 조합 4의 경우가 가장 작은 채널 용량을 갖는 것을 보인다. 복합 편파 조합인 조합 2와 3의 경우에는 수신 신호의 세기가 큰 오른쪽 안테나의 편파가 송신 안테나의 편파와 같은 경우인 조합 3의 경우가 상대적으로 수신 신호의 세기가 작은 왼쪽 안테나의 편파가 송신 안테나와 같은 조합 2의 경우에 비하여 좋은 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다.
- 또한, 안테나가 LOS 상황에서 NLOS 상황에서 보다 편파의 영향을 더 받는 것을 확인하였다. 본 논문의 실험 결과는 인체의 움직임이 있는 실제 상황에서 안테나의 편파 조합과 안테나의 위치가 근거리 WBAN off-body 채널 성능에 영향을 미치는 것을 검증하였다.
- 위의 결과를 통하여 좌우의 수신 신호 세기의 차이와 안테나의 편파가 수신 신호 및 성능에 상당한 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있다.
- 편파의 영향을 확인하기 위하여 실험 조합을 편파의 조합에 따라 구별하였고, 수신된 신호의 세기 및 채널 용량의 차이를 나타내었다. 인체의 움직임이 없는 경우에는 송신 안테나와 같은 편파를 갖는 경우의 성능이 좋음을 확인하였고, 인체의 움직임이 있는 경우에는 안테나 편파의 조합이 서로 다른 편파를 갖는 복합 편파의 경우가 서로 같은 편파를 갖는 단일 편파의 경우보다 좋은 성능을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 안테나가 LOS 상황에서 NLOS 상황에서 보다 편파의 영향을 더 받는 것을 확인하였다.
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