실내 다이버시티 기법의 성능 분석을 위한 3차원 광선추적 채널 모델링 = (An) Indoor Propagation Model for Evaluation of the Performances of Diversity Schemes

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 3차원 광선추적법을 기반으로 다중경로 페이딩의 모델링이 가능한 실내 채널 모델링을 제안하였고, 이를 이용하여 실내 편파 및 공간 다이버시티의 여러 가지 구현 방법에 대하여 그 성능을 분석하였다. 광선추적법을 이용하여 마이크로셀의 실외 환경과 피코셀의 실내 환경을 해석하는 기존의 대부분의 방법들은 전계 강도의 예측이나 시간지연 등의 기본적인 전파 특성을 예측하는데 머물렀기 때문에, 채널의 페이딩 특성을 파악하여 여러 가지 다이버시티 기법의 성능을 분석할 수 있는 방법은 제공하지 못하였다. 실제로 채널 특성은 개개의 다중경로 신호 성분과 수신단에서의 그들의 합성을 규명하는 것으로 구할 수 있으므로 광선추적법의 접근방법은 다이버시티 기법의 디자인과 성능 분석에 이용될 수 있다.
본 논문에서 제시한 실내 채널 모델링은 영상법 알고리즘을 이용한 3차원 광선추적 기법을 기반으로 하므로 각 다중경로 신호 성분의 정확한 위상 정보 제공과 수신점에서의 안테나 방사패턴 적용이 가능하다. 그리고, 벽면과 내부 집기의 재질별 전기적 특성을 고려하여, 반사와 회절 및 산란점에서의 편파의 변화를 포함한 전자기 해석이 가능하기 때문에 실내 환경에서의 페이딩 특성을 정확히 파악할 수 있다. 특히, 전파환경내의 구조물이나 집기 등에 의한 전파 산란현상은 패치 산란모델의 적용을 통하여 효과적으로 모델링 할 수 있었다.
이동통신 시스템에서 페이딩에 의한 시스템의 성능 저하를 극복하는 방법으로 전통적으로 공간 다이버시티가 사용되어왔다. 공간 다이버시티의 경우 두 개의 수신안테나를 일정거리 이상 이격 시켜야 하기 때문에 기지국 또는 중계기 안테나 단의 크기가 커지는 문제가 발생하게 된다. 그러나 편파 다이버시티 기법의 경우 두 개의 수신안테나를 같은 공간상에 위치시키는 것이 가능하므로 기지국 또는 중계기 안테나 단의 크기 문제를 해결할 수 있다. 본 논문에서는 다중경로 영향을 효과적으로 감쇠 시키기 위해 지향성 안테나를 이용한 편파 다이버시티를 제안하였다. 수신단에 지향성 안테나를 쓸 경우, 큰 도달각을 가지는 다중경로 신호를 제거할 수 있고, 이중급전 이중선형편파 방식의 마이크로스트립 안테나를 통해 편파 다이버시티를 쉽게 구현할 수 있으므로, 이러한 방법은 공간 제약이 심한 실내 환경에 매우 적합한 다이버시티 기법이라고 할 수 있다. 본 논문에서 지향성 안테나를 이용한 편파 다이버시티 기법이 페이딩 특성과 시간지연확산의 면에서 기존의 다이폴 안테나를 이용한 공간 및 편파 다이버시티 보다 우수한 성능을 보임을 확인하였다.
실내의 몇 가지 전형적 환경에서, 본 논문의 실내 채널 모델링을 이용한 시뮬레이션 견과와 측정 결과를 통해, 다이폴 안테나를 이용한 공간 및 편파 다이버시티 기법과 지향성 안테나를 이용한 편파 다이버시티 기법의 성능을 분석하였다. 또한, 전계 강도와 페이딩 특성, 그리고 시간지연 프로파일의 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델링의 정확성을 검증하였다.
본 논문에서 제시한 실내 채널 모델은 주파수, 송·수신안테나의 3차원 방사패턴, 전파환경 내에 있는 구조물들의 물리적·전기적 특성을 고려할 수 있기 때문에 실내 고속 무선 LAN과 같은 무선 통신 시스템의 성능을 향상시키기 위한 최적의 다이버시티 기법 및 송·수신안테나의 위치 및 종류를 제안하는데 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 그리고, 향후 보완을 통해 높은 정확성을 요구하는 실내 셀 구축 시에도 이용 가능하리라 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, the indoor propagation model which can evaluate the performances of the space and polarization diversity schemes is proposed. An image-based 3D ray tracing technique is mainly used, which allows the rapid generation of the complex channel impulse response for any given location and polarization of transmitter and receiver. Due to the site specific nature of indoor environments, we took into account the location and the electrical properties of individual walls and objects such as windows, doors and plaster board in our propagation model. Besides, the 3D radiation beam-patterns and polarizations of arbitrary antennas were considered, and using patch scattering model we can consider the change of the polarization due to the scattering from the various indoor objects, like desks, chairs and etc. that are almost impossible to be modeled with the ray tracing method. The model will predict the impulse response, the rms delay spread, and the small scale fading characteristics of the channel for evaluating the performances of both the polarization and space diversity schemes.
To show the practicality of this model, we took field tests in several typical indoor environments. The measured results provide the close match between the real environments and the simulated environments. Using the cross-correlation and cumulative distribution function of signals received in two diversity branch, we evaluated the performance of each diversity scheme.
In this paper to mitigate effectively the multipath influences to the indoor communications, we proposed the polarization diversity with directional antenna. Measurements and simulation results show that the proposed diversity technique has better performances in the fading statistics and delay spread than conventional polarization and space diversity which use dipole antennas.
Since the proposed indoor propagation model considers such as, frequency, the position and kinds of the transmitting and receiving antennas, the physical and electrical characteristics of structures within the propagation environments, it can be used for the development of the general propagation simulator, also can be used for the design of the wireless networks which required high accuracy.

목차 (Table of Contents)

• 차례 = i
• 그림차례 = iii
• 표차례 = v
• 약어표 = vi
• 국문요약 = vii
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 모델링 접근 방법 = 3
• 제2-1절 영상법을 이용한 3차원 광선추적법 = 3
• 제2-2절 전파 특성 모델링 = 10
• 제2-3절 패치 산란 모델 = 17
• 제3장 실내 다이버시티 기법 = 20
• 제3-1절 다이버시티 이론 = 20
• 제3-2절 다이버시티 성능평가 파라미터와 컴바이닝 기법 = 24
• 제3-3절 지향성 안테나를 이용한 편파 다이버시티 기법 = 28
• 제4장 측정 및 결과 분석 = 35
• 제4-1절 측정 시스템 및 측정 방법 = 35
• 제4-2절 측정 환경 및 모델링 = 41
• 제4-3절 다이버시티 기법 성능 분석 = 51
• 제5장 결론 = 59
• 참고문헌 = 61
• ABSTRACT = 65