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• W2057463644 abstract "In this paper, we propose the structure of a dual polarized system for a wireless communication. The proposed dual polarized antenna is formed by one vertical antenna and two horizontal antennas that are orthogonal to each other. Vertical and horizontal polarized antennas transmit different signals, but two orthogonal horizontal polarized antennas transmit the same data signals. So, the signals of the proposed dual polarized system construct two dual-polarization planes. And, only one dual-polarization plane with a large signal power is selected at the side of a receiver. The simulation results show that the proposed dual polarized system could obtain a higher capacity compared to an ordinary 2x2 MIMO (Multi-input Multi-output) system. ※ 이 논문은 2013년도 미래창조과학부의 재원으로 한 ICT RD Revised June 5, 2014; Accepted June 5, 2014 I. 서 론 최근 무선 통신에서는 4세대 이동통신 서비스의 보 급 확산과 고용량 멀티미디어 기술이 발전함에 따라 보다 큰 데이터 전송률이 요구되고 있다. 고속의 데이 터를 전송하기 위해서는 넓은 전송 대역폭이 필요하 다. 그러나 전송 대역폭은 한정되어 있기 때문에 단순 히 대역폭을 증가시키는 단편적인 방법으로는 한계가 있다. 그러므로 전송 대역폭의 변화 없이 전송 채널의 용량을 증대시킬 수 있는 무선 통신 시스템이 필요하 다. 이에 송수신단에서 다수의 안테나를 사용하는 다 중 안테나 시스템이 주목을 받고 있다 . 이는, 다중 안테나 시스템은 추가적인 주파수 할당이나 전력 증 가 없이 복수의 송수신 안테나를 사용하여 복수의 신 논문 / 무선 통신을 위한 이중 편파 시스템 구조 747 호를 서로 독립된 전파 경로를 통해 다중 전송함으로 써 이론적으로 안테나 수에 거의 비례하는 통신 용량 을 얻을 수 있기 때문이다. 단일 편파 다중 안테나를 이용하는 시스템에서는 전송 채널들의 공간적 독립성을 유지시키기 위하여 송수신단에서 안테나 간 이격 거리가 전송 주파수 파 장의 10배 이상을 만족시킬 수 있는 물리적 공간 자원 확보가 필요하다. 이에 이중 편파 안테나를 이용한 다 중 안테나 시스템이 제안되었다 . 이중 편파 안테나 시스템은 서로 직교하는 두 편파를 이용하여 서로 다 른 두 개의 전송 신호를 송수신하는 방법으로 편파 안 테나 간 이격 거리를 유지할 필요가 없다. 그러므로 이중 편파 안테나를 이용하는 다중 안테나 시스템은 단일 편파를 사용하는 다중 안테나 시스템 보다 두 배 이상의 공간 효율을 갖는다. 또한, 특정 환경에서 이 중 편파 안테나 시스템이 단일 편파를 사용하는 2x2 MIMO (Multi-Input Multi-Output) 시스템 보다 채널 용량 이득을 얻을 수 있음이 보고되었다 . 그러나 이중 편파 신호의 직교성이 붕괴될 경우 채널 용량 이 득은 현격히 줄어들게 된다. 이에 참고문헌 [10]에서는 송신기 및 수신기 측에 위치한 각 편파 안테나가 서로 공간적으로 분리되어 있는 이중 편파 시스템에서 편파 안테나의 물리적 결함과 전송 채널 환경을 복합적으로 고려하여 이중 편파 채널을 모델링 하였다. 또한, 편파 채널의 XPD (Cross-polarization discrimination), 편광 면 불일치, 그리고 편파 전송 채널의 특성에 따른 이 중 편파 채널 용량을 분석하였다 . 그렇지만 이러한 안테나 배치는 이중 편파 안테나 이용에서의 공간 효 율을 저하시키는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 각 편파 안테나가 같은 위치에 서로 교차 배치되어 있는 교차 이중 편파 안테나 시스 템 (Cross dual-polarized antenna system)에서 편파 수신신호의 입사각도, 편광면 불일치, 그리고 편파 안 테나의 물리적 결함을 고려하여 이중 편파 채널을 모 델링하고, 단일 편파를 사용하는 2x2 MIMO 시스템 과 채널 용량을 비교 분석한 뒤, 무선 통신 시스템의 전송 커버리지 안에서 단일 편파를 사용하는 2x2 MIMO 시스템 보다 큰 채널 용량 이득을 항상 얻을 수 있는 선택적 이중 편파 안테나 시스템을 제안한다. 서론에 이어 2장에서는 이중 편파 안테나 시스템의 전송채널을 모델링하고 그 채널 용량을 분석한다. 이 어서, 이를 기반으로 3장에서는 선택적 이중 편파 안 테나 시스템을 제안한 뒤 모의실험을 통해 성능을 확 인하고, 마지막으로 4장에서 결론을 맺는다. II. 이중 편파 안테나 시스템 이중 편파 안테나 시스템은, 그림 1과 같이 하나의 편파를 사용하는 일반적인 다중안테나 시스템과 다르 게, 서로 직교하는 두 편파를 이용하여 데이터를 전송하 는 시스템이다. 본 논문에서는 그림 2와 같이 수직 안테 나와 수평 안테나가 서로 직교하는 cross-polarization 구조의 이중 편파 안테나 시스템을 고려하였다. Cross-polarization 구조는 하나의 편파를 사용하는 일 반적인 다중안테나 시스템에 비해 공간적 이점을 얻 을 수 있다. 본 장에서는 이중 편파 안테나 시스템의 전송 채널 을 수신신호의 입사각도 (Direction of Arrival), 수신 신호와 수신 안테나 간 편광면 불일치 (Polarization Plane Mismatch), 그리고 각 편파 안테나 간 Cross-Polar Isolation 결함을 고려하여 이중 편파 채 널을 모델링 하고, 이에 따른 이중 편파 채널 용량을 분석 한다. 그림 1. 하나의 편파를 사용하는 일반적인 다중안테나 시스템 Fig. 1. General MIMO system using single-polarized antennas 그림 2. 교차 이중 편파 안테나 시스템 Fig. 2. Cross dual-polarized antenna system 2.1 이중 편파 채널 모델링 본 논문에서는 그림 3과 같이 무선통신시스템 환경 에서 송신기와 수신기 위치에 따른 이중 편파 신호 전 송 시나리오를 고려하였다. 각 편파 신호의 입사각도 퍼짐 특성이 다를 수 있지만, 교차 이중 편파 신호는 서로 교차 결합하여 동일한 위치에서 전송되기 때문 에 동일한 산란 환경과 동일한 반사 경로를 통과함으 로써 두 편파 신호의 직교성은 유지 된다고 가정할 수 있다. 이에 수신안테나에 입사하기 전 기저대역 교차 이중 편파 수신신호는 동일한 복소 채널을 통과하게 되고, 식 (1)과 같이 정의 할 수 있다. The Journal of Korea Information and Communications Society '14-08 Vol.39C No.08 748 그림 3. 이중 편파 신호 전송 시나리오 Fig. 3. A Scenario of Dual-polarized signal transmission 그림 4. 입사각도에 따른 수신신호 크기 변화 Fig. 4. Amplitude variation of received signals according to DOA 그림 5. 편파 수신 신호들과 편파 수신 안테나들 간 편광면 불일치 Fig. 5. Polarization plane mismatch between polarized signals and polarized antennas   ∗   ∗ (1) 여기서, ∗는 컨볼루션 연산,  는 시간변수,  는 정규화 된 복소 채널,  는 수직 편파 기저대 역 송신신호,   는 수평 편파 기저대역 송신신 호, 그리고 와  각각 수신안테나에 입사하 기 전 수직, 수평 편파 기저대역 수신신호이다. 복소 채널 통과 후, 그림 4 와 같이 이중 편파 수신 안테나 의 이중 편광면에 입사한 각 편파 수신신호는 각 입사 각도에 따라 각 편파 안테나 수신되는 실효 신호 전력 이 변화하게 되며 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.        (2) 여기서, ∠ 는 수직 편파의 입사각도이고 ∠ 는 수평 편파의 입사각도이다. 이중 편파 신호는 전송 환경에 따라 반사, 회절 등의 영향 및 기타 물리적 영 향에 의해 그림 5와 같이 ∠ 만큼 이중 편파 수신 안테나와 이중 편파 수신신호 간 편광면 불일치가 발 생할 수 있다. 이에, 식 (2)에서 정의한 이중 편파 수 신신호들은 ∠에 의해 각 편파 수신안테나에 분산 수신된다. 각 편파 수신 안테나를 통과한 각각의 편파 수신신호들은 식 (3) 과 같이 표현할 수 있다.           (3) 여기서  과 는 서로 직교하는 각 수신 안테나를 통과한 수신신호들이다. 각 편파 수신 안테 나들을 통과한 이중 편파 기저대역 수신신호들은 주 파수 영역에서 식 (2) 를 식 (3) 에 대입하여 식 (4) 와 같이 간단한 행렬로 표현할 수 있다." @default.
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