Lens antenna for next generation communications : design, analysis, and evaluation

국문 초록 (Abstract)

이동통신 네트워크는 데이터 트래픽의 급격한 증가로 인해 주파수 대역의 고갈을 겪고 있으며 이에 따라 전반적인 성능 저하가 예상된다. 주파수 대역 고갈에 대한 가장 단순하고 효율적인 해결 방법은 밀리미터파 대역의 이용이며, 이는 다수의 연구자들에 의해 제안되었고 표준화가 논의 중에 있다. 밀리미터파 대역의 거리 감쇄 특성을 극복하기 위해서는 에너지 집중적인 협소한 빔포밍이 필수적이며 렌즈 안테나는 이를 저복잡도로 구현하는 데 적합하다. 렌즈의 이산 푸리에 변환 특성에 따라 협소한 빔포밍이 가능하며 이는 밀리미터파 통신의 전반적인 복잡도를 낮출 수 있다.
본 학위논문에서는 밀리미터파 대역의 렌즈 안테나를 고려한다. 첫째로 렌즈를 통과한 수신 신호의 모델을 정립하고 이를 기반으로 수신 도래각 추정의 크라메르-라오 하한을 유도한다. 하한은 유도된 수신 신호 모델을 기반으로 표현되었으며 이는 렌즈 안테나 배열의 본질적인 특성에 기인한다. 렌즈 안테나 수신 신호 모델은 도래각이 변함에 따라 수신 신호 진폭의 모양이 변화한다. 이것이 등간격 배열 안테나의 수신 신호와 렌즈를 통과한 수신 신호를 구분하는 차이점이다.
둘째로, 등간격 배열 안테나와 렌즈 안테나의 크라메르-라오 하한은 직접적으로 비교가 불가능하므로 일반성을 잃지 않는 근사화 기법을 제안했다. 이를 기반으로 렌즈 안테나와 등간격 배열 안테나의 성능을 직접적으로 비교하였고 렌즈 안테나가 우세한 성능을 보이는 조건을 유도했다. 단일 추정의 경우 가장 뛰어난 성능을 보이는 최대 우도 추정기의 성능을 통해 크라메르-라오 하한을 확인하고 렌즈 안테나의 성능을 입증했다. 마지막으로 저복잡도 임에도 등간격 배열 안테나에 비해 우세한 성능을 보이는 렌즈 안테나의 특성을 고려한 추정 방법을 제안하였다. 본 학위논문의 결과는 향후 5G의 렌즈 안테나 설계에 지표가 될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Mobile networks are experiencing shortage of frequency bands due to the avalanche of data traffic, which bring about the possibility of overall performance degradation. The simplest way to overcome the limitation is exploiting additional frequency band, especially mmWave bands, which is proposed by majority of recent
researchers and standards. However, sharp beamforming is essential due to the characteristics ofmmWave frequency band. Lens antenna is one of the promising technologies to overcome severe path loss by sharp beamforming with low complexity. Thanks to DFT property of lens antenna, sharp beamforming is easily accomplished, resulting in low complexity of mmWave channel communication.
In this dissertation, we consider a lens antenna array for mmWave communication. We first investigate the received signal model of lens antenna and derive Cram´er-Rao lower bound (CRLB) on angle of arrival (AoA estimation of an RF lens-embedded antenna array. We derive an expression for the received signal, in terms of intrinsic lens characteristics, using an RF lens-embedded antenna array. As the AoA changes, the received signal through the RF lens changes in amplitude. This differentiates the RF lens-embedded antenna array from a conventional uniform linear array (ULA) without an RF lens. The CRLB between the ULA and the lens is not directly comparable, so we present an assumption that does not lose generality. Based on this, we directly compare and derive the conditions of the parameters that show the superior performance of the lens antenna compared to the ULA.
Second, the CRLB between the ULA and the lens antenna array is not directly comparable, so we present an assumption that does not lose generality. Based on this, we directly compare and derive the conditions of the parameters that show the superior performance of the lens antenna compared to the ULA. The performance of AoA estimation using MLE, known for its best performance in the case of single estimation, is verified to confirm the CRLB and to demonstrate superiority of lens antenna array. Finally, the AoA estimation method of lens antenna is proposed with superior performance over ULA despite of low complexity. The results can be used as a guideline for designing RF lens-embedded antenna arrays in 5G.