In recent mobile communications environments, multipath fading phenomena that are occurred by multiple reflections and the movement of a receiver degrades the quality of mobile communication services and limits the maximum data transfer rate. In a 4th Generation mobile communication system, a MIMO scheme and an OFDM methodology are being considered as the breakthrough technology for satisfying the demand of higher quality mobile communication services without the use of additional radio resources in multipath environments.
Basically, the performance of a radiating element in a mobile handset, return loss, radiation patterns, and antenna gains have been measured in an anechoic chamber. For evaluating of the performance of a MIMO handset antenna array, parameters such as mutual coupling, envelope correlation, and mean effective gain (MEG), which can be obtained from scattering parameters and radiation patterns in an anechoic chamber, have been widely utilized. Also, the channel capacity and channel correlation have been analyzed under situations when MIMO handset antenna arrays are in real communication environments such as a picocell, urban microcell/macrocell, or rural/suburban macrocell. However, the evaluation method in real communications environments is a time-consuming job because the propagation channel is varied according to the observation time. In addition, it is hard to reproduce the same fading situation when the evaluations are performed. Though the evaluation method uses a statistical approach, the parameter may be inconsistent with the same Antenna Under Test (AUT). As a result, the evaluation method by using a reverberation chamber have been introduced.
Conventionally, a reverberation chamber have been widely used in Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Interference testings as an alternative test site of Open Area Test Sites, anechoic chambers, or transverse electromagnetic cells. The field distribution of a reverberation chamber is statistically uniform and statistically isotropic when excited fields into a reverberation are well stirred. That is, a reverberation chamber has statistically similar properties to those of non-line-of-sight wireless fading channels. Consequently, by using a reverberation chamber, the cost, time, and efforts for evaluating the performance of MIMO handset antennas can be reduced with low cost and experimental repeatability. Some parameters such as diversity gain, channel correlation, and channel capacity can be achieved in these fading environments.
In this thesis, the emulation of the emulation of a multipath fading channel with various multipath parameters in a reverberation chamber is investigated for the performance evaluation of the mobile MIMO antenna arrays. Radio propagation channels which undergo multipath fading phenomena can be characterized by power delay profiles, delay spreads, and statistical distributions of the received power. By changing the boundary conditions and the position of the TX antenna, Rayleigh/Rician fading channels with variable RMS delay spread are generated in the reverberation chamber considering K-factor simultaneously. A sliding metal-window concept is introduced shortly.
Second, the Doppler spread spectrum in the reverberation chamber is characterized. A moving mode-stirrer in a reverberation chamber not only changes the field distributions of a reverberation chamber, but also causes the Doppler effect. The Doppler spread spectrum of the received signal in a reverberation chamber is characterized according to the radius and rotational velocity of the mode-stirrers, and TX antenna positions for evaluating the performance degradation of an OFDM system. Also, the Doppler spread spectrum occurred by a moving receiver is characterized according to the types of motions.
Third, the exact evaluation method with the channel capacity difference as a criteria are investigated. The performance comparison of different antenna configurations using the channel capacity at the same SNR is not an exact evaluation in a reverberation chamber. For the fair performance comparisons, the exact representation of the channel capacity difference of MIMO handset antenna arrays in a reverberation chamber are derived with high SNR assumption.
Fourth, the effects of average bandwidth, frequency stirring bandwidth, and inverse Fourier transform bandwidth on the channel correlation of $1 \times 2$ SIMO handset antenna arrays in a controllable reverberating chamber are investigated because the wide system bandwidth causes unexpected results on the parameters. In the latest communication, a scalable system bandwidth increases up to 20 MHz services.
Fifth, A technique of the source location estimation with the modulated scattering technique for indoor wireless environments are proposed. The uniform circular scatterer array that consist of five optically modulated scatterers as array elements and a dipole antenna at the center of the UCSA is employed for estimating a source location from the impinging signal. A source location is estimated by using a simple estimation algorithm based on the power difference of the scattering signals modulated by two scatterers on the UCSA.
Finally, a PN radar system which utilizes a PN sequence as a probing signal is investigated. A PN radar system can detect the distance of a target and the speed of a moving target by measuring a channel impulse response. Due to autocorrelation properties of a PN sequence, high dynamic range can be achieved by this system. The performance of a PN radar system is examined by estimating the distance of objects in the specific area.
4세대 이동통신 기술은 다양한 이동 통신 환경에서 고품질의 초고속 데이터 전송 능력을 필요로 한다. 이런 요구로 LTE, WiMAX 등의 4세대 이동통신 후보기술에는 초고속 데이터 전송과 주파수 효율성을 위해 OFDM, MIMO 기술을 채택하였다. 그 이유는 다중 전파 경로로 인해 발생하는 페이딩환경에서의 통신품질 열화는 MIMO 기술을 사용함으로써 극복될 수 있기 때문이다. 이론적으로 다중 반사 환경에서 안테나의 개수가 증가할 때마다 높은 채널 용량을 얻을 수 있으므로, MIMO 기술은 추가적인 주파수 자원을 사용하지 않고 주파수 효율성을 극대화시키는 동시에 초고속 데이터전송을 가능하게 한다.
최대의 채널 용량을 얻기 위해 이동통신 MIMO 단말기의 안테나 설계가 중요한 이슈가 되고 있다. 안테나 간의 상호간섭을 줄임과 동시에 고이득, 고효율을 MIMO 안테나 성능을 얻기 위해 다양한 설계 방법들이 연구되고 있으며, 설계된 MIMO 안테나 시스템의 성능은 방사패턴, 이득, 효율 등 단일 안테나의 성능과 패턴 상관 계수, MEG 등의 안테나 상관 지표로 평가된다. 이런 지표뿐만 아니라 채널 용량, 채널 상관 계수, Diversity 이득 등의 성능 지표가 평가된다. 이런 지표들은 실제 이동통신 환경에서 평가되어야만 MIMO 안테나 시스템의 성능 향상을 정확하게 분석할 수 있다. 그러나, 실제의 이동통신 환경에서의 평가는 많은 시간과 비용이 소요되면, 평가의 재현성을 얻을 수 없다. 따라서, 낮은 구축비용, 빠른 측정 시간, 실험의 재현성, 저입력-고출력의 효율적인 특성을 갖는 잔향 챔버에서의 MIMO 안테나 성능 평가에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전통적으로 잔향챔버는 전자파 간섭을 측정하는 대안 기술로 연구되기 시작하였다. 통계적으로 내부에 형성되는 필드의 Uniform, Isotropic 특성을 갖기 때문에 Open Area Test Sites (OATS) 측정방법과 TEM 셀에서의 측정방법의 대안 기술로 평가되어왔고 관련 연구도 많이 진행되었다. 잔향 챔버의 이런 특성은 페이딩 현상이 발생하는 실제 NLOS 이동통신 환경에서의 수신 신호에서 관찰할 수 있는 Uniform, Isotropic, Rayleigh 분포의 특성과 유사하므로, 실험실 내에서 MIMO 안테나가 실제 페이딩 환경에 있는 것처럼 간주하고 Diversity Gain, 상관계수, 채널용량들의 성능을 측정할 수 있게 되었다.
본 논문에서는 다양한 전파 환경에서의 MIMO 안테나 특성 평가를 위하여 NLOS 이동통신 환경과 유사한 특성을 갖는 전파 환경뿐만 아니라 보다 다양한 이동통신의 환경의 특성을 갖는 전파환경을 잔향챔버에서 구현하기 위한 연구를 하였다. 평면 초고주파 흡수체를 이용하여 잔향 챔버의 경계 조건을 바꿈으로써 잔향 챔버 내의 에너지를 흡수하고, 동시에 송신 안테나의 방향을 변경함으로써 LOS환경에서 관찰할 수 있는 직접 수신 신호를 만들었다. 이로 인해 Rician 분포의 특성을 나타내는 K요소 값과 다중 반사의 특성을 나타내는 RMS Delay Spread값을 동시에 변경시킬 수 있었다. 이로써 NLOS 환경뿐만 아니라 LOS 환경에서의 MIMO 안테나 성능 평가가 잔향 챔버에서 가능하게 되었다.
또한, 이동 통신 환경에서 관찰되는 도플러 현상을 잔향챔버를 이용하여 구현하였다. OFDM 신호의 경우, 일반적으로 이동 중에 도플러 현상으로 인한 반송 주파수 변이로 BER이 증가하게 된다. 이런 평가를 실제 이동하는 환경이 아닌 잔향 챔버 내에서 하기 위하여 송수신 시스템을 움직이는 대신 형태가 다른 두 개의 모드교란기를 회전시킴으로써 도플러 현상을 재현 할 수 있었다. 각각의 시간에서의 채널 응답 함수를 측정한 후, 시간을 기준으로 퓨리에 변환하여 정확한 도플러 주파수를 구하였다. 얻어진 도플러 주파수를 이용하여 OFDM 시스템의 SNR변화와 도플러 주파수 변화에 따른 BER변화를 예측할 수 있었다. A모양의 도플러 현상뿐만 아니라 뒤집힌 U 모양이나 M모양의 도플러 스펙트럼을 앞뒤로 이동하는 수신단과 회전운동하는 수신단을 이용하여 구현할 수 있었다.
잔향 챔버에서 측정된 채널 용량은 MIMO 안테나의 최적화 설계에 필수적인 성능 변수이다. 채널 용량은 여러 가지 방법으로 설계된 MIMO 안테나의 성능 비교 지표로 사용된다. 그러나 전통적인 채널 용량 평가는 송신 시스템에서 송신 출력을 조절함으로써 MIMO 안테나간에 같은 SNR을 갖는다고 가정하고 평가하므로 정확한 성능 비교를 하기 어렵다. 보다 정확한 성능 비교를 위하여 절대적인 채널 용량을 비교하는 대신에, 두 가지의 안테나의 상대적인 채널 용량의 차이를 비교함으로써 보다 정교한 성능 비교 분석이 가능하게 되었다.
채널 용량과 더불어 채널 상관 계수도 MIMO 안테나 성능을 평가하는 중요한 지표가 된다. 4세대 통신 시스템에서는 최대 20MHz까지 채널 대역폭을 사용한다고 알려져 있다. 전통적인 채널 상관 계수의 측정 방법은 협대역 채널 모델을 기준으로 평가를 함으로 채널 대역폭이 넓어짐에 따라 정확한 성능을 예측하기가 어려워졌다. 따라서 광대역 채널의 상관 계수를 분석하기 위하여 광대역 주파수 영역에서 측정된 채널 전달 함수를 역퓨리에 변환하여 시간 영역의 채널 응답으로 변환한 후 채널 상관 계수를 구하였다. 또한 예제로 제시된 여러 개의 MIMO 안테나의 채널의 대역폭에 따른 평균 채널 상관계수, 주파수 Stirring 상관 계수, 논문에서 제안한 상관 계수를 측정하여 비교하여 논문에서 제안한 방법이 광대역 특성 평가에서 정확함을 보였다.
다양한 이동통신 서비스 주파수를 효율적으로 사용하기 위해 스마트 안테나 기술과 적응형 안테나 기술이 기지국 기술에 사용되기 시작하였다. 이런 기술에서는 신호 도래각 (DOA)과 신호의 위치 파악 기술이 필수적이다. 전통적으로 MUSIC, ESPRIT, ML등의 알고리즘을 사용하여 AOA, TOA, TDOA 등의 정보를 Linear Array나 Circular Array를 이용하여 측정하여왔다. 최근에는 ESPAR을 사용하여 신호 도래각을 측정하기도 한다. ESPAR는 다른 Array들과 달리 1개의 수신 포트를 갖는 방사 패턴이 조절 가능한 Array로써 신호위상의 상관관계에 의해 신호 도래각을 측정한다. 그러나 시스템의 교정에 따른 측정 신호의 위상 오차 때문에 측정 에러가 많이 발생하는 단점이 있다. 이런 단점을 극복하고 장점을 수용하기 위하여 변조 산란 기법을 사용하는 Circular Array 안테나를 제안하였고 각각의 변조 산란체로부터 오는 신호의 수신 신호의 차이에 의해 신호 위치를 파악하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 시스템은 실내의 스마트 기지국에 적용될 수 있을 것이라 예측한다.
마지막으로 PN 코드를 사용하는 레이더 시스템에 대해 연구하였다. 다중 목표물의 거리를 측정하는데 주로 사용되는 Pulse 레이더는 시스템이 복잡하고 큰 출력이 필요하다. 거리 측정은 물론 움직이는 물체의 속도를 측정할 수 있는 FMCW 레이더는 시스템이 간단하다는 장점이 있다. 하지만 송신, 수신 시스템 사이에 발생하는 누설 신호가 측정 시스템의 정밀도를 감소시킨다. 이런 단점을 극복하기 위해 PN 코드를 사용하는 레이더 시스템을 검토하였다. PN코드의 자기 상관 특성에 의해 낮은 출력의 신호로도 먼 거리의 물체를 찾아낼 수 있으며 채널의 변화를 측정함으로써 움직이는 물체의 속도를 측정할 수 있다. 여러개의 목표를 갖는 특정 지역에서 송신, 수신 안테나의 구성에 따른 채널 특성을 측정하여 목표와의 실제 거리에 매우 근접한 측정 값을 얻을 수 있었다.
