Information theory has shown that an upper limit exists for the average spectral efficiency using a single transmitter and single receiver [1]. Thus, Multiple Input Multiple Output (MIMO) antennas have received a great attention for their ability to overcome the limits of SISO channel capacity [2]. However, in order to realize MIMO system in mobile terminal, we have to allocate multiple antennas in the small size ground without reducing MIMO performance. Also, we need to consider array antenna design and MIMO channel state simultaneously in order to reach the maximum achievable capacity. Many research institutes try to realize MIMO system mobile terminal recently, however, there is no commercial MIMO handset by this time because of these difficulties. Thus, the author tries to solve this problem by analyzing antenna parameters which is related to MIMO performance, and attempts to optimally allocate the multiple array antennas in the small size ground. In addition, the spatial correlation always exists which causes the loss of capacity. Thus, we need to find the way to reduce spatial correlation in order to improve channel capacity. To reduce the spatial correlation, the space, polarization, and pattern diversity antennas are most widely used. Recent studies shows that the distance between antennas needs to be multiple of the wavelength in order to achieve spatial multiplexing in MIMO communication, so the size of ground must be much larger than typical compact mobile terminal. Thus, we conclude that space diversity technique is not suitable for 4G wireless handsets. Instead, pattern/polarization diversity might be practical solutions to reduce the array size. To solve the spatial correlation problem, this thesis proposes the pattern/polarization diversity array by applying vertical and horizontal feeding. The details of this thesis are explained as following.
First, this thesis presents the evaluation of MIMO (multi-input multi-output) array by analyzing mutual coupling, correlation coefficient, and TARC. The meaning and analysis of the three parameters are demonstrated in section 3. The author shows that the effect of spatial and pattern diversity on MIMO arrays. The author also attempt to achieve optimization of the array antenna’s allocation for MIMO applications by performance evaluation. The results show that these three parameters are not merely dependent on antenna spacing. However, they are directly affected by radiation patterns.
Second, this thesis proposes the pattern/polarization diversity array for MIMO applications by applying vertical and horizontal excitation in section 4. The author shows that pattern and polarization of antenna are changed due to vertical feeding. Then, the author attempts to realize the two antenna diversity array by using different feeding method. As a result, the correlation factors with the respect to the pattern and polarization diversity are investigated. Finally, the analysis of the diversity system in the view point of capacity is presented. The results of this section show that the vertical excitations are able to change antennas’ original polarization directions and radiation pattern. However, consideration of the changes of polarization due to antenna location is required in order to implement vertical excitation
Finally, the analysis of measured channel is explained in section 5. In order to find the suitable PAS model, the author compares MIMO performance according to each PAS model and measured PAS, then verifies the suitable PAS model.
In addition, this thesis shows the effect of antenna spacing, and direction of antenna array composed of dipole on channel capacity. The result shows that the main parameter which determines capacity is changed due to channel environment. In case of indoor environment, the difference between received power at LOS and NLOS is relatively low. Hence, the spatial correlation is more significant factor than received power. However, the received power becomes significant factor in outdoor environment due to channel fading effect.
4 세대 이동통신 시스템에서는 채널 용량을 안테나 수에 비례하여 증가시킬 수 있는 다중 안테나 기술(MIMO)이 필수적으로 적용될 전망이다. 다중 안테나를 사용하면 어레이 이득, 간섭 제거 이득, 다이버시티 이득, 다중화 이득을 얻을 수 있으며, 이는 모두 고속 데이터 전송을 위한 장점 이 된다. 하지만 4 세대 이동통신이 휴대폰 환경에서 현실적으로 구현되기 위해서는 크기가 제한된 단말기 안에 다중 안테나가 구현될 수 있어야 한 다. 이미 단말용 소형 소자 안테나 구조에 대한 연구는 많이 진행된 상태 지만, 안테나는 공진 주파수의 파장 길이에 따라 크기가 결정되는 물리적 크기의 한계를 가지고 있기 때문에 제한된 공간에서 여러 안테나를 배치 하는 기술이나 채널 환경 분석 등은 아직 연구가 더 필요한 실정이다. 현 재 우리나라뿐만 아니라 세계 여러 연구 기관들이 MIMO 개념의 소형 다 중 안테나 연구를 진행하고 있지만 실질적으로 단말기에 적용할 수 있는 MIMO 안테나의 상용화는 아직 이루어지지 않고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 연구는 진행되었다.
먼저 연구를 진행할 당시, 아직까지 MIMO 안테나의 성능을 평가할 수 있는 지표들이 충분하지 않기 때문에 mutual coupling, 상관계수, TARC, capacity 손실 등의 성능지표를 정의하고 분석하였다. 이를 통해, 이격거리의 증가가 언제나 성능 향상으로 이어지지 않는다는 것을 확인할 수 있었고 안테나의 패턴 다이버시티를 적용하는 것이 더 효율적이라는 것을 알 수 있었다.
병렬 직교 전송의 경우 채널이 서로 독립적이기 때문에 송·수신단의 안테나 수의 증가가 곧 채널용량의 증가로 이어지지만, 대부분의 경우에 는 sub-channel 사이에 spatial correlation 이 존재하고, 경로들 사이에서 간섭 이 발생하게 된다. 또한 multi-path 환경에 적합한 안테나를 만들기 위해서 는 채널들간의 correlation 을 감소시키고 수신전력을 늘려서 결과적으로 채 널용량을 증가시킬 수 있는 배열 안테나 설계 방법이 연구되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 안테나의 3 차원 패턴 분석을 통해 vertical feeding 을 이용한 pattern diversity 를 구현하여, spatial correlation 을 줄이는 방법이 제 안되었다. 결과적으로 vertical feeding 에 의해 안테나의 편파특성이 변화는 것을 확인할 수 있었지만, spatial correlation 을 줄이기 위해서는 안테나의 위치 및 패턴을 고려해야 한다는 것을 알 수 있었다.
마지막으로, 본 연구에서는 실제 측정된 채널 행렬을 바탕으로 실내환 경과 실외환경에서 안테나간의 이격 거리, 배열안테나의 방향에 따른 채널 분석을 진행하였고, 각각에 대한 결과를 분석하였다. 실내 환경에서는 LOS 와 NLOS 에서의 수신전력의 차가 상대적으로 크지 않기 때문에 수신 전력보다 spatial correlation 이 더 중요한 파라미터로 작용하고 있었다. 반면 에 실외환경에서는 수신전력이 더 중요한 요소로 작용하였고 spatial correlation 에 의해 조정되는 경향을 보였다. 하지만 spatial correlation 이 매 우 높은 경우에는 correlation 증가에 따른 채널 손실이 빠르게 증가함으로 써 MIMO 성능이 급격히 나빠진다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실내환 경과 실외환경 모두 LOS 환경에서는 NLOS 의 경우에 비해 안테나의 방향 이나 종류에 따른 변화가 크게 일어났고, 거리증가에 따른 여러 파라미터들의 변화는 있지만, 일정거리 이상이 확보된 경우 (ex.$0.5\lambda$ 이상) 에는 이격거리 증가에 따른 이득이 적다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, Kronecker model 을 적용하여 송신단과 수신단의 각각의 spatial correlation 을 구해 보았다. 이를 통해 NLOS 환경에서는 수신단과 송신단을 따로 고려하여 배열안테나의 최적화를 달성할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
