This thesis is introduced the uniform circular array with sub-arrays (UCA-SA) based multiple-input multiple-output (MIMO) system over millimeter wave (MMW) Line-of-sight (LoS) channel. The UCA-SA consists of subarrays, which are M M square arrays and the proposed beamforming coefficients for UCA-SA make the effective channel becoming a circulant matrix. In order to achieve the effective channel matrix being circulant, the thesis shows that the UCA-SA can be decomposed into $M^{2}$ concentric sub-UCAs which have $N_s$ antenna elements. Based on this demonstration, it can be shown that the beamforming coefficients having identical values, called the constant beamformers, make the effective channel circulant. Then the effective channel can be diagonalized by the dicrete Fourier transform (DFT) precoder and the inverse DFT (IDFT) combiner without knowing channel state information at the transmitter. Therefore the constant beamformers are optimal beamformers for the aspect of maximizing mutual information of the effective channel. The simulation results show that the proposed UCA-SA system can achieve better performance in mutual information compared to the conventional UCA with $N_sM^{2}$ antenna elements which are equally spaced on a ring.
본 논문은 밀리미터 웨이브 Line-of-sight 채널에서 다중 안테나 시스템(MIMO)에 균일 원형 배열 안테나를 사용한 시스템에 부배열 안테나를 사용한 구조(UCA-SA)를 제안한다. 이 UCA-SA 구조는 정사각형 모양의 부배열 안테나로 구성되어 있고, 이때 유효 채널을 circulant 매트릭스로 만드는 데 필요한 빔포밍 coefficient를 제안한다. 유효 채널이 circulant가 되기 위해서 본 논문에서는 UCA-SA 구조가 동심원을 이루는 보조의 균일 원형 배열 안테나들로 분해가 됨을 보인다. 이 증명을 통하여 필요한 빔포밍 coefficient들이 동일한 값을 가지는 것을 보일 수 있고, 이채널을 circulant로 만드는 beamforming coefficient 들을 constant beamformer라고 한다. 이 빔포밍 coefficients들을 통하여 유효 채널은 discrete Fourier transform (DFT) precoder와 inverse DFT combiner로 송신단의 채널 정보 없이 diagonalization이 가능하다. 따라서 constant beamformer는 유효 채널의 주파수 효율을 최대화 한다는 측면에서 최적의 빔포머라고 볼 수 있다. 시뮬레이션 결과는 제안한 UCA-SA 시스템이 mutual information 측면에서 기존의 원 위에 균일하게 배치된 단일 안테나로 구성된 UCA와 비교하여 더 좋은 성능을 보임을 보여준다.
