MIMO 시스템은 통신 시스템의 채널 용량을 증가시키기 위해서 다양한 분야에서 사용된다. 그러나 이러한 통신 시스템은 다수의 RF 단을 필요로 하기 때문에 안테나 소형화에 문제가 있다. 게다가 다수의 RF 단으로 인하여 아날로그 회로에서의 전력 소모가 증가하고, RF 단의 간섭으로 인하여 통신 효율이 심각하게 저하된다. 이러한 이유 때문에 단일 RF 단을 가지면서도 MIMO 통신이 가능한 BS-MIMO 통신 방식이 제안되었다. BS-MIMO 시스템은 기본적으로 ESPAR 안테나를 사용한다. 기존의 ESPAR 안테나는 5-element 구조를 가지고 있으며, $3{\times}3$ MIMO 전송 까지만 가능하다. 그러므로 MIMO 차원을 확장시키기 위해서는 ESPAR 안테나의 구조 확장이 필수적이다. 본 논문에서는 단일 원 형태의 ESPAR 안테나의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 의 차원을 기존 MIMO 기술처럼 증가시킬 수 있음을 보였다. 설계의 예로써, 13-ESPAR 안테나를 사용하면 $7{\times}7$ BS-MIMO 전송이 가능함을 보였다. 또한 기생 배열안테나의 수가 2개씩 증가할수록 전송 가능한 MIMO 차원이 일씩 증가한다.
MIMO 시스템은 통신 시스템의 채널 용량을 증가시키기 위해서 다양한 분야에서 사용된다. 그러나 이러한 통신 시스템은 다수의 RF 단을 필요로 하기 때문에 안테나 소형화에 문제가 있다. 게다가 다수의 RF 단으로 인하여 아날로그 회로에서의 전력 소모가 증가하고, RF 단의 간섭으로 인하여 통신 효율이 심각하게 저하된다. 이러한 이유 때문에 단일 RF 단을 가지면서도 MIMO 통신이 가능한 BS-MIMO 통신 방식이 제안되었다. BS-MIMO 시스템은 기본적으로 ESPAR 안테나를 사용한다. 기존의 ESPAR 안테나는 5-element 구조를 가지고 있으며, $3{\times}3$ MIMO 전송 까지만 가능하다. 그러므로 MIMO 차원을 확장시키기 위해서는 ESPAR 안테나의 구조 확장이 필수적이다. 본 논문에서는 단일 원 형태의 ESPAR 안테나의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 의 차원을 기존 MIMO 기술처럼 증가시킬 수 있음을 보였다. 설계의 예로써, 13-ESPAR 안테나를 사용하면 $7{\times}7$ BS-MIMO 전송이 가능함을 보였다. 또한 기생 배열안테나의 수가 2개씩 증가할수록 전송 가능한 MIMO 차원이 일씩 증가한다.
Multiple-input and multiple-output (MIMO) technique is used in many communication fields in order to increase the channel capacity. However, this MIMO system has difficulty of miniaturization of antenna size due to the multiple RF chains Also, multiple RF chain raises some problems which increase po...
Multiple-input and multiple-output (MIMO) technique is used in many communication fields in order to increase the channel capacity. However, this MIMO system has difficulty of miniaturization of antenna size due to the multiple RF chains Also, multiple RF chain raises some problems which increase power consumption at RF circuit and degrade the system performance due to the interference between RF chains. Because of these reasons, beamspace MIMO (BS-MIMO) technique with only single RF chain was proposed for MIMO transmission. This BS-MIMO system basically uses electronically steerable parasitic array radiator (ESPAR) antenna. Existing ESPAR antenna has a 5-element structure. So, it is possible to do only $3{\times}3$ MIMO transmission. Therefore, in order to extend BS-MIMO dimension, extension of ESPAR antenna structure is essential. In this paper, we show that BS-MIMO dimension can be increased according to the extension of structure of the ESPAR antenna, as in the conventional MIMO techniques. For example, we show that it is possible to design the $7{\times}7$ BS-MIMO transmissions with the 13-element ESPAR antenna. Also, when the number of parasitic elements of ESPAR antenna increases by two elements, MIMO dimension is expanded by 1.
Multiple-input and multiple-output (MIMO) technique is used in many communication fields in order to increase the channel capacity. However, this MIMO system has difficulty of miniaturization of antenna size due to the multiple RF chains Also, multiple RF chain raises some problems which increase power consumption at RF circuit and degrade the system performance due to the interference between RF chains. Because of these reasons, beamspace MIMO (BS-MIMO) technique with only single RF chain was proposed for MIMO transmission. This BS-MIMO system basically uses electronically steerable parasitic array radiator (ESPAR) antenna. Existing ESPAR antenna has a 5-element structure. So, it is possible to do only $3{\times}3$ MIMO transmission. Therefore, in order to extend BS-MIMO dimension, extension of ESPAR antenna structure is essential. In this paper, we show that BS-MIMO dimension can be increased according to the extension of structure of the ESPAR antenna, as in the conventional MIMO techniques. For example, we show that it is possible to design the $7{\times}7$ BS-MIMO transmissions with the 13-element ESPAR antenna. Also, when the number of parasitic elements of ESPAR antenna increases by two elements, MIMO dimension is expanded by 1.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 ESPAR 안테나를 이용한 BSMIMO 시스템을 설계하고, 기존의 다수의 RF 체인을 쓰는 MIMO 시스템과의 수신 BER 성능을 분석하였다. 또한, 2x2, 3x3, 4x4 으로 BS-MIMO 시스템의 차원을 증가 시키면서 수신 성능을 분석하였다.
제안 방법
본 논문에서는 단일 원 형태의 ESPAR 안테나의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 의 차원을 기존 MIMO 기술처럼 증가 시킬 수 있음을 보였다. 그 한가지 예로써, 기존 ESPAR 안테나를 13개의 소자로 확장한 13 Element ESPAR 안테나를 CST tool 을 이용하여 설계하고, 이를 이용한 7x7 BS-MIMO 통신 방식을 제안하였다. 제안한 방식은 ESPAR 안테나의 기생 배열 안테나가 2개씩 증가할 때 MIMO 차원이 증가한다.
본 논문에서는 ESPAR 안테나를 이용한 BSMIMO 시스템을 설계하고, 기존의 다수의 RF 체인을 쓰는 MIMO 시스템과의 수신 BER 성능을 분석하였다. 또한, 2x2, 3x3, 4x4 으로 BS-MIMO 시스템의 차원을 증가 시키면서 수신 성능을 분석하였다. 표 1은 시뮬레이션 환경을 나타낸다.
이전 장에서 3-element ESPAR 안테나를 사용한 2x2 BS-MIMO 전송 기법에 대해서 설명하였다. 본 장에서는 확장된 MxM 의 BS-MIMO 전송 기법에 대해서 제안한다. MxM BS-MIMO 전송을 위해서는 ESPAR 안테나의 구조 확장이 필요하다.
기존의 MIMO 전송 기법은 다수의 안테나에 신호를 맵핑시켜 전송함으로써, 안테나 수와 동일한 RF단이 필요한 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 단일 RF 단만을 가지는 ESPAR 안테나를 사용한 빔 공간 MIMO 시스템을 구성 하고, MxM 으로 MIMO 공간을 확장하는 방법을 제안하였다. 제안된 MxM 빔 공간 MIMO 전송 기법은 단일 RF 단만을 가진다.
MIMO 검출 방식은 참고논문 [11]의 방식을 사용하였다. 채널은 Rayleigh MIMO 채널 환경을 고려하였다.
데이터처리
그림 7은 기존의 다수의 RF 체인을 가지는 MIMO 시스템과 BS-MIMO 시스템의 수신 BER 성능을 비교 하였다. 기존 MIMO 시스템은 데이터 심볼이 각각의 안테나에 맵핑되어 전송된다.
표 1은 시뮬레이션 환경을 나타낸다. 수신 BER 성능 분석을 위해서는 BPSK 변조를 사용 하였으며, ZF 방식의 MIMO 검출 방식을 사용하였다. MIMO 검출 방식은 참고논문 [11]의 방식을 사용하였다.
이론/모형
수신 BER 성능 분석을 위해서는 BPSK 변조를 사용 하였으며, ZF 방식의 MIMO 검출 방식을 사용하였다. MIMO 검출 방식은 참고논문 [11]의 방식을 사용하였다. 채널은 Rayleigh MIMO 채널 환경을 고려하였다.
본 논문에서는 안테나 구조 확장을 위해서 CST Studio tool을 사용하였다. 13-Element ESPAR 안테나는 한 개의 중앙 급전 능동 소자와 12개의 기생 안테나로 구성된다.
성능/효과
그림 9는 단일 RF 단을 가지는 7-ESPAR 안테나를 사용한 4x4 BS-MIMO 시스템과 기존의 4개의 송수신 안테나를 사용하는 MIMO 시스템의 수신 BER 성능을 분석한 것이다. 4x4 빔 공간 MIMO 전송 기법과 기존 MIMO 전송 기법은 유사한 수신 BER 성능을 얻는 것을 확인 하였다. 그러나 기존 MIMO 시스템은 4x4 MIMO 를 위해서 4개의 RF 단이 요구되지만, BS-MIMO 전송 기법은 1개의 RF 단 만을 사용하여 MIMO 전송이 가능하므로 이로 인한 RF 체인에서의 전력 소모와 RF 단 간의 간섭을 줄일 수 있다.
두 번째 데이터 스트림은 빔의 패턴을 결정짓는데 중요한 역할을 한다. BS-MIMO 전송 기법은 기존의 MIMO 기법과 거의 유사한 수신 BER 성능을 얻는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 BS-MIMO 시스템은 기존 MIMO 시스템과 다르게 단일 능동 소자만을 사용하고, 첫 번째 데이터만 능동 소자를 통해서 전송되기 때문에 기존 MIMO 시스템과 동일한 수신 BER 성능이 나타나지는 않는다.
BS-MIMO 전송을 위해서는 ESPAR 안테나를 이용하며, ESPAR 안테나는 중앙에 단일 능동 소자에 연결된 단일 RF 체인과 다수의 기생 소자를 가진다 [10]. 따라서 기존 MIMO 시스템에 비해서 안테나 간 커플링이 줄어들며 그로 인하여 안테나의 소형화가 가능하다. 기존 ESPAR 안테나는 주로 3, 5, 7 소자를 가지게 되기 때문에 BS-MIMO 시스템의 MIMO 차원이 제한적이다.
제안된 MxM 빔 공간 MIMO 전송 기법은 단일 RF 단만을 가진다. 따라서 기존의 MIMO 통신 방식에 비해서 RF 단을 매우 간단하게 할 수 있고, RF 단에서의 전력 소모를 줄일 수 있으며, 안테나 커플링을 줄일 수 있다. 이러한 장점을 유지하면서 수신 BER 성능을 기존 MIMO 전송 방식과 비슷하게 유지 할 수 있다.
제안된 방식을 사용하였을 경우, 다수의 안테나를 사용하는 기존 MIMO 시스템과 비교하여, 단일 안테나만을 사용한 BS-MIMO 시스템은 통신 채널 용량을 동일하게 유지하면서, 기존 다수의 안테나 시스템이 가지고 있는 문제점, 다수의 RF 체인으로 인한 높은 전력소모와 하드웨어 비용증가 문제를 해결 할 수 있다. 또한, BS-MIMO 전송 기법이 기존 MIMO 전송 기법처럼 전송 신호 공간을 확장 시킬 수 있음을 보였다.
이를 통해서 단일 RF 단만을 사용하여서도 확장된 MIMO 전송이 가능함을 확인 하였다. 또한, 기존의 ESPAR 안테나를 13-ESPAR 안테나로의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 전송 차원을 증가 시킬수 있었다. 이는 BS-MIMO를 기존 MIMO 시스템과 동일하게 MIMO 차원을 확장 시킬 수 있음을 확인 하였다.
본 논문에서는 단일 원 형태의 ESPAR 안테나의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 의 차원을 기존 MIMO 기술처럼 증가 시킬 수 있음을 보였다. 그 한가지 예로써, 기존 ESPAR 안테나를 13개의 소자로 확장한 13 Element ESPAR 안테나를 CST tool 을 이용하여 설계하고, 이를 이용한 7x7 BS-MIMO 통신 방식을 제안하였다.
그러나 기존 MIMO 시스템은 4x4 MIMO 를 위해서 4개의 RF 단이 요구되지만, BS-MIMO 전송 기법은 1개의 RF 단 만을 사용하여 MIMO 전송이 가능하므로 이로 인한 RF 체인에서의 전력 소모와 RF 단 간의 간섭을 줄일 수 있다. 시뮬레이션 7, 8, 9의 결과를 통해서 빔 공간 MIMO 전송을 MxM 으로 확장함에 따라서 수신 BER 성능이 변화가 없는 것을 확인 하였으며, 이를 통해서 7x7 BS-MIMO 시스템의 경우 수신 BER 성능은 유사할 것으로 예상된다. 또한, LTE-Advanced 에서 요구하는 8x8 MIMO 전송을 위해서는 15- element ESPAR 안테나를 사용한 빔공간 MIMO 전송 방식이 설계되어야 할 것이다.
이러한 장점을 유지하면서 수신 BER 성능을 기존 MIMO 전송 방식과 비슷하게 유지 할 수 있다. 시뮬레이션 결과, 빔 공간 MIMO 통신 방식은 기존 MIMO 시스템과 유사한 수신 BER 성능을 얻을 수 있었다. 게다가, 2x2, 3x3, 4x4 로 빔 공간 MIMO 를 확장함에도 수신 BER 성능은 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, 기존의 ESPAR 안테나를 13-ESPAR 안테나로의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 전송 차원을 증가 시킬수 있었다. 이는 BS-MIMO를 기존 MIMO 시스템과 동일하게 MIMO 차원을 확장 시킬 수 있음을 확인 하였다. 그 한 예로써, 13-element ESPAR 안테나를 사용한 7x7 MIMO 시스템을 구성 하였다.
BS-MIMO 전송 기법의 경우 SNR 이 낮은 구간에서약 1~2dB 의 열화가 발생하였다. 이러한 시뮬레이션 결과를 통해서 BS-MIMO 시스템은 기존 MIMO 시스템에 비해서 잡음에 민감한 특성을 보임을 확인 할 수 있다. 그러나 일반적인 통신을 위해서는 10dB이상의 SNR 이 유지 되기 때문에 이는 문제가 되지 않는다.
게다가, 2x2, 3x3, 4x4 로 빔 공간 MIMO 를 확장함에도 수신 BER 성능은 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해서 단일 RF 단만을 사용하여서도 확장된 MIMO 전송이 가능함을 확인 하였다. 또한, 기존의 ESPAR 안테나를 13-ESPAR 안테나로의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 전송 차원을 증가 시킬수 있었다.
제안한 방식은 ESPAR 안테나의 기생 배열 안테나가 2개씩 증가할 때 MIMO 차원이 증가한다. 제안된 방식을 사용하였을 경우, 다수의 안테나를 사용하는 기존 MIMO 시스템과 비교하여, 단일 안테나만을 사용한 BS-MIMO 시스템은 통신 채널 용량을 동일하게 유지하면서, 기존 다수의 안테나 시스템이 가지고 있는 문제점, 다수의 RF 체인으로 인한 높은 전력소모와 하드웨어 비용증가 문제를 해결 할 수 있다. 또한, BS-MIMO 전송 기법이 기존 MIMO 전송 기법처럼 전송 신호 공간을 확장 시킬 수 있음을 보였다.
그 한가지 예로써, 기존 ESPAR 안테나를 13개의 소자로 확장한 13 Element ESPAR 안테나를 CST tool 을 이용하여 설계하고, 이를 이용한 7x7 BS-MIMO 통신 방식을 제안하였다. 제안한 방식은 ESPAR 안테나의 기생 배열 안테나가 2개씩 증가할 때 MIMO 차원이 증가한다. 제안된 방식을 사용하였을 경우, 다수의 안테나를 사용하는 기존 MIMO 시스템과 비교하여, 단일 안테나만을 사용한 BS-MIMO 시스템은 통신 채널 용량을 동일하게 유지하면서, 기존 다수의 안테나 시스템이 가지고 있는 문제점, 다수의 RF 체인으로 인한 높은 전력소모와 하드웨어 비용증가 문제를 해결 할 수 있다.
3x3 BS-MIMO 전송 기법의 경우 수신 BER 성능이 2x2 BS-MIMO 전송과 거의 비슷한 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 확장된 3x3 BS-MIMO 전송 기법이 유용한 것을 확인 할 수 있다. BER 성능 10-3을 만족하기 위해서 두 시스템은 약 24dB의 SNR 이 요구되는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
BER 성능 10-3을 만족하기 위해서 두 시스템은 약 24dB의 SNR 이 요구되는 것을 확인 할 수 있다. 동일한 수신 BER 성능을 유지 하면서도 BS-MIMO 전송 기법의 경우 단일 RF 체인만을 사용하므로, 3개의 RF 체인을 사용하는 기존 MIMO 시스템에 비해서 하드웨어 구성을 위한 복잡도가 크게 줄어들 것으로 기대된다.
제안된 빔 공간 MIMO 확장 기법은 1개의 차원을 늘리기 위해서 2개의 기생 안테나가 필요한 문제점이 있다. 따라서 차후에는 하나의 기생 안테나를 증가 시키면서 MIMO를 확장 시킬 수 있는 시스템 연구가 필요하다.
시뮬레이션 7, 8, 9의 결과를 통해서 빔 공간 MIMO 전송을 MxM 으로 확장함에 따라서 수신 BER 성능이 변화가 없는 것을 확인 하였으며, 이를 통해서 7x7 BS-MIMO 시스템의 경우 수신 BER 성능은 유사할 것으로 예상된다. 또한, LTE-Advanced 에서 요구하는 8x8 MIMO 전송을 위해서는 15- element ESPAR 안테나를 사용한 빔공간 MIMO 전송 방식이 설계되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ESPAR 안테나는 어떤 구조를 가지는가?
BS-MIMO 시스템은 ESPAR 안테나를 사용하여 각각의 기저 패턴에 신호를 맵핑시켜 전송한다. BS-MIMO 전송을 위해서는 ESPAR 안테나를 이용하며, ESPAR 안테나는 중앙에 단일 능동 소자에 연결된 단일 RF 체인과 다수의 기생 소자를 가진다 [10]. 따라서 기존 MIMO 시스템에 비해서 안테나 간 커플링이 줄어들며 그로 인하여 안테나의 소형화가 가능하다.
MIMO 시스템은 무엇인가?
MIMO 시스템은 미래의 고속 데이터 통신을 위해서 높은 스펙트럼 효율과 에너지 효율, 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 진보된 기술이다[1]. 이러한 이점으로 인하여, MIMO 기술은 WLAN, V2V, M2M, 위성 통신, 4G 등 거의 모든 무선통신의 다양한 분야에서 사용 되고 있다.
논문에서 제안한 단일 RF단을 가지는 MxM 빔 공간 MIMO 전송 기법의 장점은?
제안된 MxM 빔 공간 MIMO 전송 기법은 단일 RF 단만을 가진다. 따라서 기존의 MIMO 통신 방식에 비해서 RF 단을 매우 간단하게 할 수 있고, RF 단에서의 전력 소모를 줄일 수 있으며, 안테나 커플링을 줄일 수 있다. 이러한 장점을 유지하면서 수신 BER 성능을 기존 MIMO 전송 방식과 비슷하게 유지 할 수 있다. 시뮬레이션 결과, 빔 공간 MIMO 통신 방식은 기존 MIMO 시스템과 유사한 수신 BER 성능을 얻을 수 있었다.
참고문헌 (12)
H. Lee, Q. Yang, and K. Kwak, "Performance evaluation for linear space-time coded MIMO-OFDM system considering diversityspatial multiplexing," J. KICS, vol. 29, no. 3A, pp. 240-247, Mar. 2004.
H. Taewon, Y. Chenyang, W. Gang, and L. Shaoqian "OFDM and its wireless applications: A survey," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 58, no. 4, pp. 1673-1694, May 2009.
M. A. Jensen and J. W. Wallace. "Termination-dependent diversity performance of coupled antennas: Network theory analysis," IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 52, no. 1. pp. 98-105, Jan. 2004.
A. F. Molisch, G. Kristensson, J. B. Andersen, and B. K. Lau. "Impact of matching network on bandwidth of compact antenna arrays," IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 54, no. 11, pp. 3225-3238, Nov. 2006.
R.Y. Mesleh, H. Haas, S. Sinanovic, A. Chang Wook, and Y. Sangboh, "Spatial modulation," IEEE Trans. Veh. Technol., vol.57, no.4, pp. 2228-2241, Jul. 2008.
R. Rajashekar, K.V.S. Hari, and L. Hanzo, "Antenna selection in spatial modulation systems," IEEE Commun. Lett., vol. 17, no. 3, pp. 521-524, Mar. 2013.
J. Yoon and S. Lee, "Compact meander-type antenna with a two layer structure for bluetooth operation," J. KICS, vol. 35, no. 4, pp. 89-93, Apr. 2010.
A. Kalis, A. G. Kanatas, and C. Papadias, "A novel approach to MIMO transmission using a single rf front end" IEEE J. Selected Areas in Commun., vol. 26, no. 6, pp. 972-980, Aug. 2008.
C. Y. An, S. H. Lee, and H. G. Ryu, "Beamspace MIMO system using ESPAR antenna with single RF chain," J. KICS, vol. 38, no. 10, pp. 885-892, Oct. 2013.
O. N. Alrabadi, J. Perruisseau-Carrier, and A. Kalis, "MIMO transmission using a single RF source: Theory and antenna design," IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 60, no. 2, pp. 654-664, Feb. 2012.
V. Barousis, A. G. Kanatas, and A. Kalis, "Single RF MIMO systems: Exploiting the capabilities of parasitic antennas," IEEE Veh. Technol. Conf. (VTC Fall), pp. 1-5, Sept. 2011.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.