[논문]디지털 역 지향성 배열 안테나 시스템 설계와 성능 평가

김소라; 이승환; 신동진; 유흥균

doi:10.7840/kics.2013.38a.3.217

초록
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디지털 역 지향성 안테나 시스템은 사전 정보 없이 입사된 신호의 위상을 추적하고 위상을 반대로 돌려 수신된 방향으로 재전송을 할 수 있는 시스템으로써 아날로그 역 지향성 안테나와 비교하여 수정과 업그레이드가 쉽다는 장점이 있다. 이러한 특성으로 디지털 역 지향성 안테나는 고속 이동체 환경에서의 빠른 빔 추적이 가능할 것이다. 먼저 본 논문에서는 위상을 추정하는 디지털 PLL 하나를 통하여 각각의 array마다 수신된 신호의 지연된 위상을 찾는 디지털 역지향성 배역 안테나 시스템을 설계하며 array 개수에 따른 성능을 확인, 분석하였다. 또한 실제 통신에서는 기저대역 스펙트럼을 반송파로 특정 대역으로 천이 시켜 신호를 송수신 하므로 신호를 전송할 때에 반송파를 실어 보내며 수신할 때에 기저대역으로 다시 복조 후 지연된 위상을 정확하고 신속하게 찾는지 확인 평가하였다. 안테나의 array개수가 늘어나면 이득이 생겨 성능이 더 좋아지며 시뮬링크를 통한 시뮬레이션 상에서는 반송파에 따라서는 성능에 아무런 영향이 없음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A digital retrodirective antenna system is easy to modify and upgrade because it can control the phase information of the output signal toward opposite direction to input signal without a priori knowledge of the arrival direction. Due to this advantage, it is possible to perform fast beam tracking. ...

A digital retrodirective antenna system is easy to modify and upgrade because it can control the phase information of the output signal toward opposite direction to input signal without a priori knowledge of the arrival direction. Due to this advantage, it is possible to perform fast beam tracking. In this paper, a design digital retrosirective array antenna system according to the number of antenna array by using only one digital PLL which finds angle of delayed phase and we test BER performance of this system. When we transmit data at actual communication system, the data modulated onto carrier frequency in order to shift spectrum from base band to another band. So we simulate system considering carrier frequency according to the number of antenna array. As a result, carrier frequency has no impact on the performance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

최근 디지털 빔형성 연구가 많이 진행되고 있지만, 역지향성 배열 안테나 기술은 국부 발진기를 통한 아날로그 방식의 연구는 많이 진행되어왔지만, 아직 디지털 역 지향성 배열 안테나 기술연구는 활발히 진행 되지 않고 있다. 하지만 역지향성 안테나시스템에서도 구성과 계산복잡도가 낮은, 또한 여러 가지 신호처리가 용이 할 수 있도록 디지털 역지향성 배열안테나 시스템의 연구가 진행되어야 하며 본 논문은 디지털 역지향성 배열 안테나 시스템의 기본 구성과 동작들을 설명하며 배열 안테나 개수에 따른 디지털 역지향성 배열안테나 시스템의 설계와 성능을 분석하였다.

제안 방법

그림6은 두개의 배열 안테나를 사용한 역지향성 배열 안테나 시스템과 네 개의 배열 안테나를 사용한 역 지향성 배열 안테나 시스템의 BER성능을 반송파에 따라 나타낸 것이다. 2-array antenna system 보다 4-array antenna system이 약 수신안테나Array 개수 n에 따라서 비트 에러 확률은 10log(n)의 이득이 발생함을 참고하여 simulink로 시뮬레이션 하였다.
따라서 신호를 전송할 때에 반송파를 실어 보내며 수신할 때에 기저대역으로 다시 복조 후 지연된 위상을 찾는다. 궁극적 목표가 역지향성 안테나 시스템을 사용하는 무선 이동통신 시스템인 만큼, LTE(release 8)표준을 참고하여 20Mbps의 신호를 필터통과 후 반송파 주파수가 각각 900MHz, 1GHz일 때 BER 성능으로 반송파 주파수에 따른 성능변화가 있는지 확인하였다. 이때 oversampling은 8배, 샘플링 속도는 6.
그림 11은 반송파 주파수에 따른phase detector의 settling 타임을 비교한 것이다. 그래프의 가장 위부터 반송파 주파수가1Ghz, 900Mhz, 500Mhz일 때 첫 번째 element와 두 번째 element에서 수신된 신호를 위상 추정기를 통해 지연된 위상을 찾고 conjugation 통과 후 신호의 위상을 측정하여 얼마나 빨리 공액위상을 정확히 찾는지 측정하였다. 위상의 오차가 0.
디지털 역지향성 배열 안테나를 배열 안테나개수에 따라 설계하였으며 또한 배열 안테나 개수에 따라, 반송파에 따라 성능을 확인 분석하였다. Array가 증가 될수록 수신 이득에 따라 성능이 향상되며 반송파의 변화에 따라서는 성능이 변화되지 않은걸로 보아 위상 추정기에서 지연된 위상의 크기를 찾는데 큰 영향을 끼치지 않았다.
25ns이다. 오직 반송파 주파수에 따라 phase detector에서 지연된 위상을 정확하게 찾고 위상 공액을 통하여 신호가 전송되는지에 대한 성능확인이므로 재전송 되는 시스템에서는 Up, Down converter를 생략하였다. 그 결과, 전송되는 신호의 반송파 주파수는 재전송되는 신호에는 영향이 전혀 없었음을 알 수 있다.
위상의 오차가 0.5°이내가 되는 시간을 측정하였으며 이때 정확한 측정을 위하여 잡음이 없는 상태에서 측정하였다.

성능/효과

5°이내가 되는 시간을 측정하였으며 이때 정확한 측정을 위하여 잡음이 없는 상태에서 측정하였다. 0.05us의 간격을 갖는 이산시간에서의 시뮬레이션이므로 정확한 측정은 불가능 하겠으나 반송파 주파수가 1GHz, 900MHz, 500MHz일 때 모두 1.05us로 같은 시간으로 측정이 됨으로써 반송파 주파수에 따라 동작시간 또한 큰 영향을 끼치지 않음을 알 수 있다.
오직 반송파 주파수에 따라 phase detector에서 지연된 위상을 정확하게 찾고 위상 공액을 통하여 신호가 전송되는지에 대한 성능확인이므로 재전송 되는 시스템에서는 Up, Down converter를 생략하였다. 그 결과, 전송되는 신호의 반송파 주파수는 재전송되는 신호에는 영향이 전혀 없었음을 알 수 있다.

후속연구

Array가 증가 될수록 수신 이득에 따라 성능이 향상되며 반송파의 변화에 따라서는 성능이 변화되지 않은걸로 보아 위상 추정기에서 지연된 위상의 크기를 찾는데 큰 영향을 끼치지 않았다. 때문에 실제 시스템에서도 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예측 되지만 이산적인 시스템에서의 컴퓨터 시뮬레이션이므로 여러 가지 오차가 있으며 실제 시스템에서는 더욱 복잡한 많은 변수가 있을 것이며, 이동통신에 적용할 시 사용자의 이동성을 고려하여 얼마나 빠르고 정확하게 지연된 위상을 찾을지 실제 시스템에서 충분한 연구가 필요할 것이다. 또한 수신단 안테나 수만큼 아날로그-디지털 변한 회로를 포함하고 있는 무선 주파수 단의 체인이 필요하며^[9] 이것은 소형화를 구현의 어려움과 전력소모 증가의 문제가 있으므로 이러한 문제를 해결하기위한 기술의 연구 또한 필요할 것으로 보인다.
때문에 실제 시스템에서도 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예측 되지만 이산적인 시스템에서의 컴퓨터 시뮬레이션이므로 여러 가지 오차가 있으며 실제 시스템에서는 더욱 복잡한 많은 변수가 있을 것이며, 이동통신에 적용할 시 사용자의 이동성을 고려하여 얼마나 빠르고 정확하게 지연된 위상을 찾을지 실제 시스템에서 충분한 연구가 필요할 것이다. 또한 수신단 안테나 수만큼 아날로그-디지털 변한 회로를 포함하고 있는 무선 주파수 단의 체인이 필요하며^[9] 이것은 소형화를 구현의 어려움과 전력소모 증가의 문제가 있으므로 이러한 문제를 해결하기위한 기술의 연구 또한 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 역 지향성 안테나 시스템의 수정과 업그레이드가 쉬운 장점으로 인해 무엇이 가능한가?	디지털 역 지향성 안테나 시스템은 사전 정보 없이 입사된 신호의 위상을 추적하고 위상을 반대로 돌려 수신된 방향으로 재전송을 할 수 있는 시스템으로써 아날로그 역 지향성 안테나와 비교하여 수정과 업그레이드가 쉽다는 장점이 있다. 이러한 특성으로 디지털 역 지향성 안테나는 고속 이동체 환경에서의 빠른 빔 추적이 가능할 것이다. 먼저 본 논문에서는 위상을 추정하는 디지털 PLL 하나를 통하여 각각의 array마다 수신된 신호의 지연된 위상을 찾는 디지털 역지향성 배역 안테나 시스템을 설계하며 array 개수에 따른 성능을 확인, 분석하였다.
	디지털 역 지향성 안테나 시스템의 장점은?	디지털 역 지향성 안테나 시스템은 사전 정보 없이 입사된 신호의 위상을 추적하고 위상을 반대로 돌려 수신된 방향으로 재전송을 할 수 있는 시스템으로써 아날로그 역 지향성 안테나와 비교하여 수정과 업그레이드가 쉽다는 장점이 있다. 이러한 특성으로 디지털 역 지향성 안테나는 고속 이동체 환경에서의 빠른 빔 추적이 가능할 것이다.
	안테나의 array개수가 늘어나면 성능은 어떻게 되는가?	또한 실제 통신에서는 기저대역 스펙트럼을 반송파로 특정 대역으로 천이 시켜 신호를 송수신 하므로 신호를 전송할 때에 반송파를 실어 보내며 수신할 때에 기저대역으로 다시 복조 후 지연된 위상을 정확하고 신속하게 찾는지 확인 평가하였다. 안테나의 array개수가 늘어나면 이득이 생겨 성능이 더 좋아지며 시뮬링크를 통한 시뮬레이션 상에서는 반송파에 따라서는 성능에 아무런 영향이 없음을 확인하였다.

참고문헌 (9)

T. Tanaka, R. Miura, and Y. Karasawa, "Implementation of a digital signal processor in a BDF self-beam-steering array antenna," IEICE Trans. Commun., vol. E80-B, no.1, pp. 121-138, Jan. 1997.
Y. Otaki, W. Chujo and K. Uehara, M. Fujise, "Implementation of a digital beamforming antenna for mobile satellite communications utilizing multi-digital signal Processor," in Proc. ISAP, pp.145-148. Sapporo, Japan, sep.1992.
E. D, sharp and M. A. Daib, "Van Atta Reflector Array", IRE Trans. Antennas and propagation, vol. 8, no. 4, pp.436-438, July 1960.

상세보기
L. C. Van Atta, "Electromagnetic reflector," U.S. patent 2,908,002, 1955
J. H. Reed, Softwere Radio: A Modern Approach to Radio Engineering, Prentice Hall PTR, 2002
R. Y Miyamoto, Y. Qian, and T. Itoh, "Retrodirective arrays for wireless communication," IEEE Microwave Mag., vol. 3, no. 1, pp. 71-79, Mar. 2002
R. Y. Miyamoto, Y. Qian, and T. Itoh, "A reconfigurable active retrodirective/ direct conversion receiver arrays for wireless communication," IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. Dig., vol. 2, pp. 1119-1122, 2001
C. Loadman, "A DSP based retrosirective array for duplex digital communication at 2.4GHz", M.S. thesis, Dalhousie Univ., Halifax, Canada, 2006.
K. T. To and J. C. Ko, "RF beamforming combining using single RF chain for low complexity and low power consumption," in Proc. 2010 Winter Conf. Korea Inform. Commun. Soc. (KICS), pp. 417-418, Pyeongchang, Korea, Feb, 2010.

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