[논문]원형 배열 안테나 빔 형성을 위한 안테나 선택 및 제어 방법

박성호; 박철; 김한나; 정재학

doi:10.12815/kits.2015.14.1.068

원형 배열 안테나 빔 형성을 위한 안테나 선택 및 제어 방법
Antenna Selection and Power Control Method for Uniform Circular Array Antennas Beamforming 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.14 no.1, 2015년, pp.68 - 76

박성호 (인하대학교 전자공학과) , 박철 (한국전자통신연구원 연구원) , 김한나 (한국전자통신연구원 연구원) , 정재학 (인하대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 원형 배열 안테나를 장착한 차량이 이동하면서 메쉬 네트워크 환경을 구성할 때 다중 노드 빔 형성을 위한 안테나 선택 방식과 전력 제어 알고리즘을 제안한다. 제안한 안테나 선택 방법은 안테나의 방사 이득을 고려하여 빔 형성을 위한 안테나를 선택하고, 두 개 이상의 노드가 인접할 경우 배열 이득을 최대화하기 위해 안테나를 중복으로 선택한다. 제안한 전력 제어 알고리즘은 중복 안테나 선택 시 SIR이 최대가 되도록 각 안테나의 전력을 제어한다. 전산모의 실험을 통하여 제안한 알고리즘을 적용하여 기존의 방식과 비교하여 두 노드가 $15^{\circ}$로 인접했을 때 최대 2.5 dB의 SIR 향상을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the antenna selection scheme and power control algorithms of multiple nodes beamforming when the vehicles equipped with circular array antennas is moving and construct mobile mesh networks. The proposed antenna selection scheme chooses beamforming antenna elements considering antenna radiation gain and allows duplicated antenna selection for multiple adjacent nodes. The proposed power control algorithms maximize SIR for the duplicated antenna selection. The simulation demonstrates that the proposed antenna selection and power control achieve 2.5dB higher SIR gain than that of conventional methods when two nodes are apart from $15^{\circ}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다중노드에 대해서 SNR을 최대화하도록 중첩되어 선택된 안테나의 전력 제어가 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 원형 배열 안테나를 사용하여 이동성이 있는 다중 노드를 위한 빔 형성에 적용할 경우의 안테나 선택 방법을 제안하고 안테나가 중첩되었을 경우 수신단에서의 SNR 이 최대화되도록 안테나의 전력 제어 기법을 세 가지로 제안한다.
안테나 수가 증가할수록 노드의 수신 전력이 증가하지만 인접한 다중 노드를 위해 빔을 형성하는 경우 각 노드의 신호 크기를 최대로 하는 동시에 다른 노드에 미치는 간섭을 줄이도록 안테나를 선택해야 한다. 그러므로 본 절에서는 노드를 위한 빔 형성 안테나 선택 방식을 제안한다.
무선 메쉬 네트워크에서 사용되는 빔 형성 기법을 알아보기 위해 본 절에서는 빔 형성의 기법에 대해 설명한다. 빔 형성의 가중치 벡터를 계산하기 위한 다양한 적응형 알고리즘이 있는데, 일반적으로 신호의 도래 방향 (Direction of Arrival: DOA)을 이용하여 가중치 벡터를 구하는 Spatial reference beamforming (SRB)와 기준 신호를 이용하여 가중치 벡터를 구하는 Temporal reference beamforming (TRB)가 있다.
본 논문에서는 원형 배열 안테나를 사용한 다중 노드 빔 형성에서 적용 가능한 안테나의 선택과 세 가지 전력 제어 방식을 제안하였다. 제안된 안테나 선택 방법은 다중 노드 시에 상호 간섭을 줄이고 최대 빔 형성 이득을 얻는 것이다.
이 때 할당되는 전력의 합이 고출력 증폭기(High Power Amplifier - HPA)의 최대 출력 P_HPA을 초과하는 문제가 발생된다. 본 논문에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 세 가지 전력 제어 방법을 제안한다.

가설 설정

실험을 위해 안테나는 노드의 위치정보를 알고 있으며 안테나와 노드 사이의 채널 이득은 모두 1로 같고, 잡음은 –20dB로 가정하였다.
그림 6은 노드 B의 위치가 0°로 고정되고 노드 A의 위치가 0～90° 사이에서 이동하는 경우 본 논문에서 제안한 세 가지 전력 제어 방식의 SNR 성능을 비교한다. 앞선 실험과 동일하게 안테나와 노드 사이의 채널 이득은 모두 1로 같고, 잡음은 -20dB로 가정하였다. 모든 안테나 전력을 비율만큼 감소시킨 첫 번째 방법의 평균 전력은 28.

제안 방법

그림 6은 노드 B의 위치가 0°로 고정되고 노드 A의 위치가 0～90° 사이에서 이동하는 경우 본 논문에서 제안한 세 가지 전력 제어 방식의 SNR 성능을 비교한다.
이 방법은 패치안테나의 방향에 따른 이득변화로 인해 수신되는 안테나의 이득이 감소한다. 두 번째로, 다중 노드 빔 형성을 위해 안테나를 중복으로 선택하여 빔 형성을 하는 것이다. 각 노드의 수신 전력을 최대화하기 위해서는 가장 가까운 안테나에 할당된 전력이 최대가 되어야 한다.
본 장에서는 다중노드 원형 배열 안테나를 사용한 경우 안테나의 개수를 선택하는 방법과 선택된 안테나가 중첩이 되어 전력할당을 할 경우에 대한 SNR 성능 실험을 하였다. 중첩 노드 선택방법에서 수신 노드의 SNR 성능은 중첩되는 안테나의 전력이 HPA의 최대 전력을 넘지 않는 값으로 정규화를 하였을 경우와 비교하였다.
본 절에서는 다양한 위치에 있는 노드에게 안정적인 물리계층 접속을 위하여 원형 배열 안테나를 사용한다. 그림 1은 L개의 안테나로 구성된 원형 배열 안테나를 나타낸다^[9].
본 절에서는 원형 배열 안테나를 사용할 때 다중 노드가 서로 인접한 경우 각각의 노드를 위한 빔 형성 안테나 선택 방법과 각 안테나의 전력 제어하는 세 가지 기법을 제안한다.
제안된 안테나 선택 방법은 다중 노드 시에 상호 간섭을 줄이고 최대 빔 형성 이득을 얻는 것이다. 이동하는 노드들이 근접할 경우 안테나를 중첩하여 선택하고 수신단에서 빔 형성 이득이 최대화되도록 세 가지 전력 할당 기법을 제안하였다. 전산 모의 실험을 통해 순차적으로 최대 전력을 모든 안테나에 할당하는 세번째 방법이 다른 두 가지 전력 제어 방법보다 수신단에서의 SNR 이득이 최대 2.
본 논문에서는 원형 배열 안테나를 사용한 다중 노드 빔 형성에서 적용 가능한 안테나의 선택과 세 가지 전력 제어 방식을 제안하였다. 제안된 안테나 선택 방법은 다중 노드 시에 상호 간섭을 줄이고 최대 빔 형성 이득을 얻는 것이다. 이동하는 노드들이 근접할 경우 안테나를 중첩하여 선택하고 수신단에서 빔 형성 이득이 최대화되도록 세 가지 전력 할당 기법을 제안하였다.
본 장에서는 다중노드 원형 배열 안테나를 사용한 경우 안테나의 개수를 선택하는 방법과 선택된 안테나가 중첩이 되어 전력할당을 할 경우에 대한 SNR 성능 실험을 하였다. 중첩 노드 선택방법에서 수신 노드의 SNR 성능은 중첩되는 안테나의 전력이 HPA의 최대 전력을 넘지 않는 값으로 정규화를 하였을 경우와 비교하였다.

대상 데이터

그림 4는 빔 형성 안테나 개수에 따른 수신 신호 전력을 나타낸다. 16개의 원형배열 안테나에서 선택 가능한 안테나 개수는 8개이다. Ⅲ장에서 제안한 식 (4)에 의해 안테나 개수 선택 방식인 안테나 증가에 의한 이득이 평균 이득보다 작아지는 안테나수를 선택하면 4개의 안테나가 선택되었다.
본 논문에서 채용한 원형 배열 안테나는 L개의 안테나로 구성되어 있으며 각 안테나는 패치 안테나를 사용한다. 그림 2는 패치 안테나의 수평 방사 패턴을 표시한 것으로써 만일 노드가 각도 0°의 위치에 있다면 안테나 이득이 제일 크게 되고 노드가 90°로 갈수록 방사 이득이 줄어들게 된다.
실험에 사용되는 안테나의 개수는 16개이며 반송 주파수는 2GHz를 사용하였다. 원형의 배열안테나 지름은 2.

이론/모형

이러한 빔 형성 방법들은 선형 및 원형 배열 안테나에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 무선 메쉬 네트워크에 사용되는 노드들을 위한 빔 형성 기법을 위한 안테나 선택 및 전력 제어 방법을 보이기 위해 빔의 지향성을 위해 지연-합 빔 형성 기법을 사용하고 전력 제어를 위해서는 안테나의 채널 값과 이득 크기를 반영한 Maximum Ratio Transmit (MRT)^[8] 기법을 적용한다.

성능/효과

두 노드가 15°로 인접했을 때 세 번째 제안한 방법은 다른 두 가지 방법과 비교할 경우 최대 1.5 dB, 2.5 dB의 이득 향상을 보였다.
앞선 실험과 동일하게 안테나와 노드 사이의 채널 이득은 모두 1로 같고, 잡음은 -20dB로 가정하였다. 모든 안테나 전력을 비율만큼 감소시킨 첫 번째 방법의 평균 전력은 28.4dB, 중첩 안테나 구조에 전력 비율을 낮춘 두 번째 방법의 평균 전력은 29.3dB, 그리고 순차적으로 최대 전력을 할당하는 세 번째 방법의 평균 안테나 이득은 30.2dB를 나타내었다. 이로부터 세 번째 제안한 방법은 다른 두 가지 방법보다 각각 약 0.
이는 세 번째 제안한 전력 제어 방식이 신호를 전송하고자 하는 노드에 방사이득이 큰 안테나에 최대 전력을 할당하기 때문에 최대 빔 형성 이득을 보였다. 이 결과를 통해 세 번째 제안된 안테나 선택 및 전력 제어 방법이 이동하는 노드들로 네트워크를 안정적으로 구성할 때 적합한 빔 형성 기법임을 보였다.
5 dB의 이득 향상을 보였다. 이는 세 번째 제안한 전력 제어 방식이 신호를 전송하고자 하는 노드에 방사이득이 큰 안테나에 최대 전력을 할당하기 때문에 최대 빔 형성 이득을 보였다. 이 결과를 통해 세 번째 제안된 안테나 선택 및 전력 제어 방법이 이동하는 노드들로 네트워크를 안정적으로 구성할 때 적합한 빔 형성 기법임을 보였다.
2dB를 나타내었다. 이로부터 세 번째 제안한 방법은 다른 두 가지 방법보다 각각 약 0.9dB와 1.8dB 의 평균 이득 향상을 얻었다. 두 노드가 15°로 인접했을 때 세 번째 제안한 방법은 다른 두 가지 방법과 비교할 경우 최대 1.
이동하는 노드들이 근접할 경우 안테나를 중첩하여 선택하고 수신단에서 빔 형성 이득이 최대화되도록 세 가지 전력 할당 기법을 제안하였다. 전산 모의 실험을 통해 순차적으로 최대 전력을 모든 안테나에 할당하는 세번째 방법이 다른 두 가지 전력 제어 방법보다 수신단에서의 SNR 이득이 최대 2.5dB 우수함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 메쉬 네트워크란 무엇인가?	무선 메쉬 네트워크 (Wireless mesh network)는 고정되어 있는 유선 네트워크에 의존하지 않고 무선망을 이용하여 네트워크를 구축할 수 있는 기술이다. 무선 메쉬 네트워크는 이동하는 차량 간의 정보교환을 위한 통신 네트워크를 구성할 때 효율적이며 차량 간의 링크가 끊어져도 무선 메쉬 라우팅에 의해 링크가 계속 유지될 수 있는 장점이 있다.
	무선 메쉬 네트워크의 각 노드들의 성능을 유지하기 위해 무엇이 사용되는가?	무선 메쉬 네트워크에서 각 노드들이 이동을 하는 경우 이동하는 노드들이 다양한 위치에 존재하기 때문에 각 노드들의 성능을 유지시켜 주는 방법이 필요하다. 따라서 전 방위에 위치한 노드들에게 균일한 방사 패턴을 제공하기 위해서 원형 배열 안테나가 사용된다.
	무선 메쉬 네트워크의 장점은 무엇인가?	무선 메쉬 네트워크 (Wireless mesh network)는 고정되어 있는 유선 네트워크에 의존하지 않고 무선망을 이용하여 네트워크를 구축할 수 있는 기술이다. 무선 메쉬 네트워크는 이동하는 차량 간의 정보교환을 위한 통신 네트워크를 구성할 때 효율적이며 차량 간의 링크가 끊어져도 무선 메쉬 라우팅에 의해 링크가 계속 유지될 수 있는 장점이 있다. 그러므로 무선 메쉬 네트워크 기법은 차량의 긴급 재난 상황, 건설 현장 등 다양한 환경에서 네트워크를 구축하기 위한 방법으로 고려되고 있다[1-3].

참고문헌 (9)

I. Akylidiz and X. Wang, "A Survey on Wireless Mesh Networks," IEEE communications Magazine, vol, 43. no. 9, Sep 2005.

상세보기
M. Kim, J. Choi and Y. Cho, "Convergence Analysis of Distributed Time and Frequency Synchronization Algorithm for OFDMA-Based Wireless Mesh Networks Using Bio-Inspired Technique," The Journal of KICS, '14-08, vol. 39A no. 08, 2014.
Y. Cho, H. Jeong, D. Kim, K. Ryu, "Trajectory Information-based Routing Protocol for Mobile Mesh Router in Wireless Mesh Networks," The journal of KICS, '11-11 vol. 36 no. 11, 2011.
C. Y. Chen and P. P. Vaidyamathan, "Quadractically Constrained Beamforming Robust Against Direction-of-Arrival Mismatch," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 55, no. 8, pp.4139-4150, 2007.

상세보기
R. Roy, and T. Kailath, "ESPRIT : Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques," IEEE Transactions on Acoust. Speeches Signal Process., 39, 242-246, 1991.
R. O. Schimidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 34, no. 3, Mar. 1996.
F. B. Gross, Smart Antennas for Wireless Communications, McGrawHill, 2005, Feb. 2003.
T. K. Y. Lo, "Maximum Ratio Transmission," in ICC '99. 1999 IEEE Transactions on Communications, vol. 47, no. 10, Oct. 1999.
C. P. Mathews and M. D. Zoltowski, "Eigen-Structure Techniques for 2-D Angle of Arrival with Uniform Circular Arrays," IEEE Transactions on Signal Processing, 43, 9, pp.2395-2407, Sep. 1994.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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