Receive beam-forming scheme alleviation performance degradation due to insufficient transmit pilot power in SIMO cdma2000 reverse link = 수신 빔성형시 줄어든 송신단 pilot 전력에 의한 성능저하를 보상하기 위한 SIMO cdma2000 역방향 링크 빔성형 기법

국문 초록 (Abstract)

cdma2000 시스템은 여러 안테나를 이용하여 성능향상을 가져온다. 안테간의 거리를 충분히 넓게 배치하면 각 안테나간에 들어오는 채널의 상관도가 떨어져 Diversity gain이 얻어지며, 안테나간 거리를 반파장이 되도록 가깝게 위치시키면 Beamforming gain 이 얻어진다. 또한, 안테나 수가 증가함에 따라 Aperture gain이 얻어진다. 이렇게 수신단에서 얻어진 gain에 의해 송신단의 파워는 낮아지게 된다. cdma2000 역방향 링크에서는 파일럿채널이 존재하여 coherent수신이 가능하게 되지만, 안테나 gain에 의해 파일럿 파워가 낮아져 채널추정에러가 증가하게 된다. 이렇게 되면 안테나수를 증가시키더라도 채널추정에러가 점점 증가하게 되어 기대한 만큼의 성능향상을 볼 수 없다.
본 논문에서는 채널추정에러를 줄이기 위해 그룹핑 시스템을 제안하고 2가지 경우에 적용시켜 모의실험을 통해 그 결과를 관찰하였다. 첫 번째 경우는 안테나간 거리를 충분히 멀리하여 수신 antennas element의 채널이 독립적인 fading을 겪는 경우이다. 이 경우 diversity gain을 최대로 얻기 위해 채널추정은 각 안테나에서 개별적으로 이루어져야 한다. 이때 안테나를 그룹을 지어 배열하면 채널추정 에러를 줄일 수 있다. 채널추정 에러가 없을 경우, Diversity gain만을 얻는 안테나 구조가 더 좋은 성능을 나타내는데, 이는 그룹핑 한 경우 diversity order가 줄어들기 때문이다. 실제 채널추정 방법을 적용한다면 본 논문에서 제안된 시스템이 안테나 6개 이상 사용시 최대 도플러 주파수 200Hz, frequency flat fading channel에서 1dB이상의 성능 향상을 가져온다. 두 번째로, 안테나간의 거리를 최대 beamforming gain을 얻기 위해 안테나간의 거리를 반파장으로 가깝게 배치하였을 경우이다. 이 때 채널에 반사체가 많으면 채널의 공간 상관도가 떨어지게 된다. 반사체가 많아져 AOS가 넓어지면 채널의 상관도가 떨어져 사용자로부터 각 안테나로의 채널추정은 안테나 별로 이루어져야 한다. 이러한 채널의 상관도에 따라 채널추정오류에 의한 영향을 관찰하기 위해 송신단의 DOA와 채널의 AOS를 변화시켜 가며 각 안테나에서 채널추정이 될 경우와 2개씩 안테나를 묶어서 채널추정이 이루어 질 경우를 모의 실험을 통해 알아보았다. 각 cell이 3개의 sector들로 나눠지고, AOS가 30도 이하인 채널 환경에서는 6개 이상의 안테나를 사용하는 경우 2개씩 묶어서 채널추정을 하는 경우가 각 안테나 별로 채널 추정하는 경우보다 더 좋은 성능을 나타낸다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, receive beam-forming scheme is proposed to improve the performance degradation due to inaccurate channel estimation as the number of receiver antennas increases in SIMO cdma2000 reverse link channel. Recently, SIMO reverse link has been investigated in many literatures[5][12][13][15]. Its application to cdma2000 reverse link channel was investigated[3][4][17]. MIMO as well as SIMO have been proposed as one of techniques to obtain multiplexing gain, diversity gain, or beamforming gain. However, many of papers have not considered the fact that the lowered transmit power by using SIMO will actually force transmit pilot power to the level which is not enough to provide accurate channel estimation. Some of papers considered the effect of insufficient transmit power to the system performance. One of papers introduced pilot and data channel aided channel estimation[6] in SISO environment. [6] used simple average for channel estimation which is same as ML on AWGN channel.
Two different SIMO schemes in cdma2000 are assumed in this thesis. One is SIMO with widely spaced antenna elements that offer maximum diversity gain is called SIMO type-Ⅰ. The other is SIMO with λ/2-spaced antenna elements that offer maximum beamforming gain will be called SIMO type-Ⅱ. Both SIMOs experience the growing degradation due to insufficient transmit pilot power as the number of antenna elements increases. As for SIMO type-Ⅰ, different antenna array placement(pair-wise antenna grouping) is proposed to improve SIMO type-Ⅰ by sacrificing diversity gain but improving channel estimation accuracy. As for SIMO type-Ⅱ, channel estimation of each individual channel and pair-wise channel estimation employing fixed beamforming scheme are compared for various spatial correlation obtained from DOA and AOS. We placed more emphasis on research of SIMO type-Ⅱ analysis. The results showed that modified SIMO type-Ⅰ shows inferior performance to SIMO type-Ⅰ when channel estimation is assumed to be perfect in both cases. However, modified SIMO type-Ⅰ outperforms SIMO type-Ⅰ with ML channel estimation scheme by more than 1dB gain when the number of antennas is used 6 or more on the frequency flat fading channel with the maximum Doppler frequency 200Hz. In SIMO type-Ⅱ, the gain by pair-wise channel estimation employing fixed beamforming varies depending upon the given DOA and AOS. However, it always outperforms SIMO type-2 with ML channel estimation for the 3-sectorized cell having AOS of 30˚ with 6 or more than 6 antennas.

목차 (Table of Contents)

• Contents = ⅰ
• List of Tables = ⅲ
• List of Figures = ⅳ
• Acronyms = ⅶ
• Abstract = ⅷ
• Chapter 1. Introduction = 1
• Chapter 2. Channel Model = 3
• 2.1. Spatial and Temporal Correlation of Mobile Channel = 3
• Chapter 3. SIMO in General and Its Application = 9
• 3.1. Signal modeling = 10
• 3.2. Delay-and-Sum Beam-Former = 14
• 3.3. Spatial Diversity Combining : MRC = 17
• 3.4. Its Application to cdma2000 Reverse Link = 19
• Chapter 4. Pair-wise Beamforming Scheme = 22
• 4.1. cdma2000 Reverse Link = 22
• 4.1.1. Transmitter = 23
• 4.1.2. Power Control = 27
• 4.2. Pair-wise Beamforming in SIMO type-Ⅰ = 29
• 4.3 Pair-wise Beamforming in SIMO type-Ⅱ = 34
• Chapter 5. Simulation and Results = 38
• 5.1. SIMO type-Ⅰ = 39
• 5.1.1. Simulation Environment = 39
• 5.1.2. Simulation Results and Discussion = 40
• 5.2. SIMO type-Ⅱ = 44
• 5.2.1. Simulation Environment = 44
• 5.2.2. Simulation Results and Discussion = 46
• Chapter 6. Conclusion = 54
• Reference = 56
• 국문요약 = 59