An energy efficient transmission becomes hot issue in multiple input multiple output (MIMO) system to achieve economic and environmental benefits. Because the energy consumption is directly related to money, it cannot be ignored anymore in modern society. Also, many antennas are used to increase data rate in MIMO system to satisfy user's requirement but a space to integrate the antennas is fixed. Generally, only one antenna like dipole antenna is integrated in a half-wavelength space to reduce correlation between antennas. Therefore, new antennas like dual polarization dipole antenna and pattern polarization antenna reducing the correlation between adjacent antennas have been developed to integrate more than one antenna in the half-wavelength space. However, there is an correlation between antennas in case of using not only dipole antenna but also dual polarization antenna and pattern polarization antenna.
To transmit data energy efficiently, an energy efficiency metric which is channel capacity divided by total power consumption which consists of transmit power and circuit power consumption in radio frequency (RF) chains have to be maximized. Therefore, the energy efficiency can be maximized by not using all antennas but some of all antennas to reduce circuit power consumption. For these reasons, antenna selection algorithms to maximize energy efficiency have been researched very actively. In conventional antenna selection algorithm, antennas are selected based on only channel gain.
However, existing researches about antenna selection algorithm maximizing the energy efficiency have not considered the correlation between antennas, which is not much practical. In recent trend of integrating more than one antenna in half-wavelength space to increase the channel capacity, the correlation between antennas have to be considered in view of practical approach.
In this thesis, the antenna selection algorithm maximizing the energy efficiency considering mutual coupling and spatial correlation between antennas is proposed in downlink channel of cellular communication system. In the proposed algorithm, both transmit power and antenna subset maximizing the energy efficiency which are suboptimal solution can be achieved. Here, the proposed algorithm has lower complexity than an exhaustive search which can achieve optimal solution. In addition, three antenna configurations which are vertical polarization dipole antenna configuration (VP-DAC), dual polarization dipole antenna configuration (DP-DAC) and pattern polarization antenna configuration (PP-AC) are used to consider wireless communication environment more practically.
To demonstrate the performance of the proposed algorithm, the simulation was proceeded in single-cell single-user MIMO system. The simulation results were investigated in according to channel conditions. It is confirmed that a performance of the proposed algorithm is better than that of conventional algorithm and approaches very close to that of the exhaustive search for three different antenna configurations.
최근 환경 문제와 에너지 비용에 관한 문제의 심각성이 고조됨에 따라, 전력 효율에 관한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 또한, 전송속도를 증가 시키기위해 많은 안테나를 제한된 공간 안에 집적시키는 연구가 진행되고 있다. 따라서 이 논문에서는 많은 안테나를 제한된 공간 안에 집적시켰을 때, 안테나간의 공간상관관계와 상호적 커플링을 고려한 상황에서 통신시에 기지국의 전력 효율을 최대화 하는 안테나 선택 알고리즘에 대하여 제안하였다. 고려하는 환경은 단일 셀 단일 사용자이며 수직 편파 다이폴 안테나, 이중 편파 다이폴 안테나 그리고 패턴 편파 안테나의 총 세가지 안테나 배치 종류를 고려하고있다. 이 때, 기지국은 최소단위의 전송속도 요구조건을 만족해야만 한다.
안테나 선택 알고리즘은 크게 두 단계로 구분될 수 있는데, 최적의 전송 전력을 구하는 단계와 최적의 안테나를 선택하는 단계이다. 전력 효율은 전송 전력의 함수로 표현이 가능 하므로, 전력 효율의 최대화를 가능하게 하는 전송 전력을 구할 수 있다. 또한, 최적의 안테나는 공간상관관계와 상호적 커플링 행렬의 특이값과 채널의 특이값의 곱이 최대화되는 안테나를 선택함으로써 찾을 수 있다. 이 때, 제안 알고리즘의 복잡도는 최적 검색의 복잡도 보다는 현저하게 낮음을 확인할 수 있으며 기존 알고리즘의 복잡도 보다는 약간 높음을 알 수 있다.
위와 같은 제안 방안의 성능을 알아보기 위해 시뮬레이션의 결과를 살펴보았다. 채널 상황에 관계없이, 안테나 배치종류에 관계없이 제안 알고리즘의 성능은 최적 검색의 성능과 거의 같음을 알 수 있었으며 기존 알고리즘의 성능보다 높음을 확인할 수 있었다. 또한, 다이버시티 이득으로 인해 최대 얻을 수 있는 전력 효율은 수직 편파 다이폴 안테나, 이중 편파 다이폴 안테나 그리고 패턴 편파 안테나 순서로 커진다는 사실을 알 수 있었다. 아울러, 채널 상황이 안 좋아짐에 따라 선택되는 최적의 안테나 숫자는 줄어듬을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 최소단위 전송속도 요구조건이 있을 경우 또한 제안 알고리즘의 성능은 최적 검색의 성능과 거의 같음을 확인할 수 있었으며 최소단위 전송속도 요구조건이 없을 경우보다 최대 얻을 수 있는 전력효율이 줄어듬을 알 수 있었다.
