To provide the high data rates required for fixed wireless applications such as cellular backhaul, we need
to increase the channel capacity of line-of-sight (LoS) multiple-input multiple-output (MIMO) communication
systems and one key solution is to exploit spatial multiplexing gains. In contrast to the conventional view that LoS
MIMO channels are rank-deficient, it has been shown that that LoS MIMO systems can achieve a full multiplexing
gain through the optimization of antenna placement. Specially, LoS MIMO communication systems with uniformcircular-arrays (UCAs) have an advantage over uniform linear arrays (ULAs) and uniform planar arrays (URAs),
that is, its channel matrix can be modeled as a circulant matrix. However, the UCA-based LoS MIMO systems
have not been fully investigated, and their use for practical applications is limited.
In the first one-third of this dissertation, we consider the design of UCA system under array misalignment
over LoS channels. UCAs have been considered as useful array structures since their LoS channels can be diagonalized without the channel state information at the transmitter (Tx). However, such a characteristic holds only
when transceiver arrays are perfectly aligned. To overcome this difficulty, we propose an optimal design method
and transceiver architectures for UCA systems under array misalignment that achieve channel capacity without
knowledge of misalignment angles. To this end, we first verify that the singular values of the misaligned UCA system are independent of tilting and center-shift and small relative array rotation, but fluctuate with the Radii Product
to Distance Ratio (RPDR). Using the result, we present an optimal design method for UCA systems that performs
an one-dimensional search for the RPDR to maximize channel capacity, and we show that a simple zero-forcing
receiver can achieve the maximum channel capacity because of the channel characteristic at the optimal design
criteria. Additionally, we propose a low-complexity precoding scheme for UCA systems in which the optimal
design criteria cannot be fulfilled. The simulation results demonstrate the validity of the proposed design method
and transceiver architectures.
In the second half of this dissertation, we consider the design of transceivers for the LoS MIMO system using
UCA with subarrays. Using a large number of antennas in LoS MIMO system is a burden to implementation as it
requires wide antenna spacings, and expensive radio frequency (RF) chains. To relieve this problem, we propose the
use of UCA with subarrays in hybrid MIMO systems. Specifically, we present the optimal precoder and combiner
of UCA-SA system in the case of antenna misplacement. It is shown that the RF beamformer consists of all one
valued beamforming coefficients can be a near optimal at the transmitter, which is effective for implemention of
by the RF phase shifter whose performance is limited by quantization. In addition, the optimal baseband processer
can be implemented simple iterative search over a small number of codebook vectors. At the receiver, the optimal
baseband processer is the DFT matrix and only searching RF beamformer is required. The simulation results
illustrate that the performance of the proposed transceiver is closed to the optimal transceiver.
In the last one-third of this dissertation, we consider the design of transceiver arrays for uplink MIMO systems
over strong LoS channels. Spatial multiplexing gain attained by proper antenna spacings can provide high data rates
over LoS channels; however, this has only been considered in the point-to-point MIMO systems. To fully exploit
LoS spatial multiplexing gain in uplink MIMO systems, we propose the use of multi-layer UCAs at a receiver and
single-layer UCAs at transmitters, and we present design criteria for transceiver UCAs. The simulation resultsdemonstrate the validity of the proposed multi-layer UCA system over strong LoS channel environments.
무선 백홀과 같은 고정 무선 통신 시스템에서 요구하는 높은 데이터 전송량을 제공하기 위해, 가시선 다중
안테나 통신 시스템에서 채널 용량을 증대시키는 것이 필요한데 이를 위한 한 가지 해법은 공간 다중화 이득을
활용하는 것이다. 일반적으로 가시선 다중 안테나 시스템의 채널은 행렬의 계수가 작다고 알려져 왔으나, 여러
연구들에서 가시선 다중 안테나 시스템도 안테나 배치를 최적화 할 경우 최대의 공간 다중화 이득을 얻을 수
있음이 확인되었다. 특히, 균일 원형 배열 안테나를 이용한 가시선 다중 안테나 통신 시스템은 균일 선형 배열
안테나와 균일 평면 배열 안테나에 비해 채널 행렬이 순환 행렬로 모델링 된다는 장점을 가지고 있다. 그러
나, 균일 원형 배열 안테나 기반의 가시선 다중 안테나 시스템에 대한 연구가 아직 미흡하고, 실제 환경에서의
적용에 제한이 있다.
이 논문의 첫 번째 파트에서는 가시선 채널 환경에서 배열의 정렬 불량이 있을 경우 균일 원형 배열 안테
나를 설계하는 문제를 고려한다. 균일 원형 배열 안테나는 가시선 채널 환경에서 송신단에서 채널 정보 없이
채널을 대각화 할 수 있어 효율적인 안테나 구조로 인식되어 왔다. 그러나, 이 특성은 송수신단 배열이 완벽하
게 정렬 되었을 때만 얻을 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 안테나 배열의 정렬이 불량일 때 기울어진 각도
정보 없이도 채널 용량을 얻을 수 있는 균일 원형 배열 안테나와 그 송수신기의 최적의 설계 방법을 제안한다.
이를 위해, 우리는 먼저 기울어진 균일 원형 배열 안테나 시스템의 채널의 특잇값이 배열의 기울임, 중심 이동
그리고 작은 정도의 회전에 독립적이고, 반경곱과 거리 비 값에 크게 변화함을 증명한다. 이 결과를 이용하여
채널 용량을 최대화 하는 반경곱과 거리비 값을 단일 차원에서의 검색을 통해 찾는 최적의 균일 원형 배열 안
테나 설계 방법을 제안하고, 최적의 설계 기준을 만족하는 균일 원형 배열 안테나 시스템은 간단한 zero-forcing
수신기를 통해 최대의 채널 용량을 얻을 수 있음을 보인다. 추가적으로, 최적의 설계 기준을 만족하지 못하는
균일 원형 배열 안테나 시스템을 위한 저복잡도의 송신기를 제안한다. 시뮬레이션 결과는 제안한 설계 방법 및
송수신기 구조가 유효함을 보인다.
이 논문의 두 번째 파트에서는 부배열 안테나를 이용한 균일 원형 배열 안테나 기반의 가시선 다중 안테나
시스템의 송수신기 설계 방법을 고려한다. 가시선 다중 안테나 시스템에서 안테나 개수를 많이 사용할 경우
필요로 하는 안테나 배치 간격이 커지고 비싼 radio frequency (RF) chain이 많이 필요하기 때문에 설치에 어려
움이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 hybrid 다중 안테나 시스템에서 부배열 안테나를 이용한 균일 원형 배열
안테나 사용을 제안한다. 특히, 부배열 안테나를 이용한 균일 원형 배열 안테나 시스템에서 안테나 배열이 정렬
불량일 경우의 최적의 송수신기를 제안한다. 연구 결과, 송신기에서는 RF 빔포머의 계수가 모두 1인 경우가
거의 최적에 가깝다는 것을 보인다. 이 송신기는 각도의 양자화 정도에 따라 성능이 제한되는 RF phase shifter
를 이용한 구현이 쉽기 때문에 효과적이다. 또한, 최적의 baseband processer는 작은 수의 코드북 벡터들에 대한
간단한 반복적인 검색을 통해 얻을 수 있다. 수신기에서는 최적의 baseband processer는 DFT 행렬이 되고 단지
RF 빔포머에 대한 검색만 필요로 한다. 시뮬레이션 결과는 제안한 송수신기가 최적의 송수신기와 거의 성능이
근접함을 보여준다.
이 논문의 세 번째 파트에서는 상향 링크에서의 가시선 다중 안테나 통신 시스템의 송수신기 배열을 설
계를 고려한다. 안테나 배치에 의해 얻어지는 공간 다중화 이득은 가시선 채널에서 높은 전송률을 얻을 수
있으나, 점대점 다중 안테나 통신 시스템에서의 활용만 고려되었다. 상향 링크 다중 안테나 시스템에서 가시선
공간 다중화 이득을 최대로 활용하기 위해서, 다중 계층 구조의 균일 원형 배열 안테나를 수신단에서, 단일 계층
구조의 균일 원형 배열 안테나를 송신단에서 사용하는 것을 제안하고, 그 송수신단 균일 원형 배열 안테나를설계하는 방법을 제안한다. 시뮬레이션 결과는 제안한 다중 계층 구조의 수신단이 강한 가시선 채널 환경에서
유효함을 보여준다.
