적응 배열 안테나에 의한 multirate 및 마이크로셀 혼재 CDMA 시스템의 성능 개선 = Improving the performance of multirate and microcell-mixed CDMA systems with adaptive array antenna

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 다중 데이터율을 지원하는 DS/CDMA 셀룰라 시스템에서 역방향 링크 셀간 간섭의 확률적 특성을 분석하고, 고속 데이터율 사용자 분포에 따른 시스템의 수용 용량를 구하였다. 이와 더불어 고속 데이터율 사용자가 시스템에 주는 부정적 영향을 효과적으로 개선하도록 적응 배열 안테나를 적용하여 간섭의 확률적 특성과 시스템 수용 용량의 개선 정도를 분석하였다.
CDMA 셀룰라 시스템에서 셀내 간섭은 전력제어에 의해 일정 수준으로 유지되는 반면, 셀간 간섭은 주변셀 사용자들의 위치 분포에 따라 변화한다. 일정 수준의 QoS를 만족하기 위한 시스템의 수용 용량은 셀간 간섭에 의해 많은 영향을 받게 되는데, 다중 데이터율을 지원하는 CDMA 셀룰라 시스템에서는 전송 가능한 데이터율이 높을수록, 고속 데이터율 사용자가 많을수록 셀간 간섭의 분산이 증가하여 단일 데이터율시스템에 비해 주파수 효율이 감소하였다.
적응 배열 안테나를 적용한 단일 데이터율을 사용하는 CDMA 셀룰라 시스템에서는 모든 사용자의 채널 정보를 이용하는 최적 결합 방식을 사용한 경우와 기준 사용자의 채널 정보만을 이용하는 최대비 결합 방식을 사용한 경우에 성능의 차이가 크지 않았다. 이는 다중 셀을 고려하는 셀룰라 시스템의 사용자 수가 적응 배열 안테나의 배열 소자 수보다 많고, 간섭 성분의 공간적 분포가 비교적 균일하기 때문이다. 그러나 다중 데이터율을 지원하는 CDMA 셀룰라 시스템에서 고속 데이터율 사용자의 비율이 증가함에 따라 CDMA 셀룰라 시스템의 효율은 저하되나, 최적 결합 방식의 적응 배열 안테나를 사용하였을 때 고속 데이터율 사용자의 비율이 높을수록 그 성능 개선의 효과가 커지게 된다. 또한, 전송 가능한 최대 데이터율이 높을수록 최대비 결합 방식보다는 최적 결합 방식을 사용하여야 한다.
또한, 본 논문에서는 매크로셀과 같은 주파수 대역에서 운영되는 마이크로셀이 혼재된 CDMA시스템에서 역방향 링크에 대해 시스템의 수용 용량을 살펴보았다. 매크로셀과 마이크로셀간의 간섭을 제한할 목적으로 마이크로셀에 배열 안테나를 사용하여 안테나 방사 패턴을 틸트하였다. 시스템의 수용 용량을 최대화하기 위한 매크로셀 기지국과 마이크로셀 기지국의 최소 요구 수신 전력의 최적 비율 및 마이크로셀 안테나의 최적 틸트 각을 산출하고, 수용 용량과 안테나 높이, 안테나 빔폭, 셀 반경, 마이크로셀 위치 등 여러 파라미터들의 상관 관계를 살펴보았다. 매크로셀과 마이크로셀의 전력비와 마이크로셀 안테나의 틸특각을 최적화함으로써 매크로셀의 수용 용량의 감소를 최소화하면서 마아크로셀에 적절한 수준의 수용 용량을 확보할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this dissertation, the capacity of system and the characteristics of interference are analyzed for multirate DS/CDMA cellular system in reverse link considering the ratio of high rate users. In addition, the adaptive array antenna techniques are applied to reduce the defects induced by high rate users.
While the intracell interference is controlled to maintain the constant power level by power control, the intercell interference are varying depending on the geometrical position of high rate users in neighboring cells. Therefore, the capacity of system satisfying the QoS depends on the intercell interference. In multirate CDMA cellular systems, the spectral efficiency representing the capacity of system are decreased as the allowable data rate and the number of high rate users are increased because of the increased variance of interference.
In CDMA cellular system with adaptive array antenna, the difference of performances between optimal combining method using the information of all user and maximal ratio combining method only using the information of desired user is little. It is because the number of users in cellular system is larger than the number of elements of array antenna and the spatial distribution of interfering sources is relatively uniform. However, in multirate CDMA cellular system, though the performance of system gets worse as the number of high rate users is increased, the improvement of performance by array antenna using optimal combining methods is higher with large number of high rate users. It is desirable to use optimal combining methods rather than maximal ratio combining as the number of high rate users is increased.
As another application of adaptive array antenna, reverse link capacity is obtained analytically for macro-/micro-cellular CDMA systems operating in the same frequency band. The focuses are on the ratio of required receive power of the macrocell BS to that of the microcell BS and the tilt angle of the microcell antenna to increase the system capacity. The microcell-tomacrocell interference is derived in closed form by geometric approximation, and the macrocellto-microcell interference is calculated on the divided regions of macrocell. The optimal tilt angle is obtained by defining the minimum interference tradeoff factor that maximizes the system capacity. It is shown that the system capacity increases remarkably with power ratio control in macro/micro-cellular environments. Also, the properly chosen antenna tilt angle adds more capacity, and enables the microcell users to save on the transmit power.

목차 (Table of Contents)

• 차례 = i
• 그림 차례 = iii
• 표 차례 = vi
• 국문 요약 = vii
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 채널 및 시스템 모델 = 4
• 2.1 이동 무선 채널 = 4
• 2.2 적은 배열 안테나 = 11
• 2.3 Multirate 전송 기술 = 22
• 2.4 매크로/마이크로 셀룰라 시스템 = 26
• 제3장 적응 배열 안테나에 의한 CDMA 시스템 성능 개선 = 29
• 3.1 Multirate CDMA 시스템 = 29
• 3.2 마이크로셀이 혼재된 CDMA 시스템 = 40
• 제4장 성능 분석 결과 및 고찰 = 54
• 4.1 Multirate CDMA 시스템 = 54
• 4.2 마이크로셀이 혼재된 CDMA 시스템 = 73
• 제5장 결론 = 83
• 참고 문헌 = 85
• ABSTRACT = 89