In the next generation communication system, compact design of antenna and energy efficiency are important concept since the paradigm will be shifted to Internet of Things(IoT) in which every small device can communicate with each other. Conventional MIMO systems can improve the spectral efficiency and reliability of communication by using the multiple antennas. However, MIMO system has the high complexity as the number of transmit antennas increases and transmitting superimposing independent information sequences on the same frequency causes Inter Channel Interference. Also, multiple antennas in MIMO system require the same number of RF-chains which increases the cost and energy consumption.
Recently, single RF-chain MIMO systems have been proposed such as spatial modulation(SM) and generalized spatial modulation(GSM). SM can offer better performance with a low complexity and simplification in system design compared to MIMO system. SM transmits a symbol by using the antenna switching mechanism. One of the transmit antennas which are arrayed with $\frac{\lambda}{2}$ is activated at a symbol time. A symbol mapped to the antenna index is decoded by Maximum likelihood principle. Also, conventional M-QAM symbol is transmitted using the single RF-chain. Thus, SM can avoid the ICI by activating only one antenna, and even though it has single RF-chain, it can be improved by transmitting additional bits using antenna index. GSM can more improve the spectral efficiency by activating some number of antennas. However, a number of transmit antennas are needed to obtain higher spectral efficiency. Then, more space is required as the number of antenna increases, and only omnidirectional antenna uniformly arrayed has been researched.
In this paper, we proposed the spatial modulation based on pattern and polarization properties(PP-SM). Not only the spatial gain of the transmit antenna but also the antenna radiation pattern and polarization can be used in the spatial modulation. We performed the system modeling and analyzed the BER performance. We adopted the 3-D polarized channel model which includes the effects of radiation pattern and polarization, so the correlation of the link between transmit antennas and receive antennas can be alleviated even if the transmit antennas are integrated in the same space. In addition, we proposed the antenna combination selection algorithms so that the capacity and BER performance can be improved and complexity is also reduced. We evaluated the BER performance using the four directional antennas integrated in small space. The radiation patterns of the antennas were obtained from CST simulator for practicality. VMF scatterer distribution was used to reflect the practical channel environment. We have verified that the numerical upper bound is tight upper bound at high SNR. We compared the performance of proposed algorithms. The channel capacity maximized algorithm had worse BER performance since it selects the highest channel gain regardless of the euclidean distance among symbols. Euclidean distance maximized algorithms has 4 dB at BER $10^{-3}$ compared to the arbitrarily antenna combinations selection method.
Proposed PP-SM has advantages in small space by comparing it with the conventional GSM. Because of the increased correlation, the performance of PP-SM is a little bit degraded, but the performance gap is not big. Moreover, PP-SM can make more antenna combinations than conventional GSM so that it can improve the spectral efficiency.
차세대 통신 시스템에서는 휴대폰뿐만 아니라 자동차에서부터 가전기기까지 모든 사물들이 통신을 한다는 Internet of Things(IoT)의 개념으로 패러다임이 확장될 것이다. 이러한 상황에서는 높은 전송효율 뿐만 아니라 통신장치의 소형화, 에너지 효율 등이 중요한 문제가 될 것이다. 현재 사용되고 있는 다중 안테나 시스템은 여러 안테나를 사용함으로써 전송효율을 향상시키거나 전송의 신뢰성을 높일 수 있는 기술이다. 하지만 이러한 시스템은 높은 복잡도를 가지고 있으며 각각의 안테나에서 독립적인 신호를 전송하기 때문에 간섭(ICI)도 발생하며 각 안테나마다 RF-chain이 요구되기 때문에 이로 인한 비용과 높은 에너지 소모 문제가 발생한다.
최근의 연구동향에서는 한개의 RF-chain을 사용하여 다중 안테나 시스템과 비슷한 전송효율을 얻을 수 있는 시스템들에 대한 연구가 진행되고 있다. 그 예로 Spatial modulation(SM) 이라는 기술이 있다. 이 기술은 한개의 RF-chain에 다중 안테나가 동시에 연결된다. 안테나들이 파장/2 간격으로 배열된 구조를 통해 송신단에서 수신단까지의 링크들의 상관성을 감소시킨다. SM은 보내고자 하는 정보를 두 심볼로 나누어 한 심볼은 기존의 M-QAM 방식에 의하여 전송하며 두번째 심볼은 한 심볼시간 동안 심볼에 따라 다른 안테나들을 동작시킨다. 송, 수신단 사이의 링크가 낮은 상관성으로 인해 독립적이기 때문에 수신단에서는 ML 방식에 의해 동작된 안테나들을 구별할 수 있다. SM은 한개의 RF-chain을 사용하여 비용 및 에너지 소모가 적을 뿐만 아니라 ICI도 감소되며 높은 전송 효율을 얻을 수 있다. 또한 Generalized spatial modulation에서는 한번의 심볼 시간 동안 한개의 안테나만 동작하는 것이 아니고 안테나들의 조합을 이용하여 전송할 수 있는 심볼의 수를 증가시켰다. 하지만 이 기술들에서 높은 전송효율을 얻기 위해서는 다수의 안테나가 필요하며 무지향성 안테나를 사용하여 공간적으로 떨어진 안테나를 가정하였기 때문에 큰 부피의 안테나 구조가 필요한 단점이 존재한다.
본 논문에서는 패턴 및 편파 안테나를 사용하여 스위칭 안테나 기반 변조 방식에 대해 분석을 하였다. 패턴, 편파 안테나를 사용하면 기존의 무지향성 안테나와 같이 안테나들을 파장/2의 간격으로 배치시키지 않고 그 보다 가깝게 집적된 안테나들을 사용해도 패턴, 편파 특성에 의해 송수신 채널간의 상관성을 줄일 수 있다. 패턴, 편파의 특성을 반영하기 위해 3-D polarized 채널 모델을 적용하여 모델링을 하였다. 본 변조방식에서는 집적된 안테나간 간섭을 고려하여 전송에 사용될 안테나들의 조합을 형성한다. 형성된 안테나들의 조합 중 실제 전송에 사용될 안테나들의 조합을 선택하는 두 가지 알고리즘을 제안하였다. 성능을 확인 하기 위해 Rayleigh 채널 및 VMF scatterer 분포 환경에서 시뮬레이션을 진행하였다. 안테나는 지향성 방사 패턴 및 편파 안테나의 특성을 나타내고 있는 슬롯 안테나와 PIFA 안테나가 평면상에 4개 집적되어 있는 구조를 사용하였고 채널모델을 이용하여 상관행렬을 계산하여 채널에 적용하였다. 이론적 분석의 BER에 대한 수식을 통해 BER의 numerical result를 구할 수 있고 시뮬레이션 결과와 비교하여 이론적 분석으로 얻은 수식이 비교적 tight upper bound를 나타내는 것을 확인 하였다. 또한 제안된 알고리즘에 따른 시뮬레이션을 진행 하였고 Euclidean distance가 가장 큰 안테나들의 조합을 선택하는 것이 SNR이 증가할 수록 성능이 가장 좋은 것을 확인하였다. 마지막으로 기존 기술인 GSM과의 비교를 통해 BER 성능은 비슷하거나 약간 열화되었지만 안테나 구조의 공간이 절반 이상 감소하였음을 알 수 있었다.