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본 논문에서는 multi-tag를 사용하는 backscatter communication에 MIMO beamforming 기술을 적용하여, 수신신호의 BER과energy harvesting을 효율을 증대시키고자 한다. multi-tag와 Hybrid-AP(H-AP) 사이의 communication을 통해 기본 채널 정보를얻었으며, 얻은 채널정보를 이용하여, Spatial Channel Model(SCM)의 전송 시나리오에 맞는 파라미터를 설정하고 SCM 채널을 생성하였다. 그리고 MIMO Beamforming 기술을 이용하여, H-AP는 각 tag에 SINR을 올리기 위한 optimal power를 갖는 신호를 보낸다. tag에서는 optimal power를 갖는 신호를 수신하여 backscatter communication을 수행하고, receiver에서는 multi-tag가 보내는backscatter 신호를 수신하여 time switching 기법으로 Energy harvesting을 수행한다. 따라서 Receiver에서 energy harvesting 효율과 backscatter 신호의 BER 성능 향상을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다.

In this paper, we propose a scheme for MIMO beamforming for the backscatter communication using a multi-tag to improve the efficiency of energy harvesting and the BER of received signals. We obtain a normal channel information through a communication between the H-AP and multi-tag. The H-AP sets parameters for the transmission scenario of the spatial channel model (SCM) using the obtained channel information and generates a SCM channel information. Then, the H-AP transmits signals that have optimal transmission power to increase the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) to each of tags. Tags perform a backscatter communication with signals. The receiver performs a time switching technique of energy harvesting using backscatter signals from the multi-tag. Simulation results demonstrate effectiveness of the proposed scheme, and the harvesting efficiency and BER at the receiver is greatly improved.

다중안테나 송수신을 활용하는 MIMO 시스템은 5세대 이동통신의 용량 증대를 위한 핵심 기술 중 하나이다. MIMO 관련 기술에 대한 적절한 성능 평가가 이루어지기 위해서는 공간 채널이 반영된 무선 채널 모델의 적용이 필요하며, 이에 적절한 채널 모델로서 3GPP에서 TR36.873 문서를 통해 제안한 3차원 공간채널모델(3-Dimensional Spatial Channel Model; 3D SCM)이 있다. 본 논문에서는 3D SCM 기반 채널 시뮬레이션 환경을 구현하고 검증하며, 이를 통해 확인되는 UMi 및 UMa 특성을 제시하고 비교한다. 또한, UMa 시나리오에 MIMO 전송 환경을 도입하여 안테나 배열 간격의 변화에 따른 안테나 원소 간의 채널 상관도를 살펴보고, 이에 따른 수율의 변화를 확인한다. 섹터 내 사용자를 무작위 균일 분포시켰을 경우에 대해 수평 및 수직 안테나 원소 간격 변화에 따른 채널 전력 상관도를 측정함으로써, SCM 환경 하에서 전송 성능을 결정하는 통계적 특성을 제시한다.

MIMO systems utilizing multiple antenna transmission and reception is one of the key technologies to enhance the capacity of 5G wireless communications. In order to obtain an appropriate performance evaluation of MIMO techniques, the usage of wireless channel model reflecting spatial channel characteristics is required, such as the 3-dimensional spatial channel model(3D SCM) proposed by 3GPP TR36.873 documentation. In this paper, we implement and verify the channel simulation environment based on 3D SCM, to present and compare the characteristics of UMi and UMa environments. We also apply MIMO transmission to the UMa scenario to investigate the channel correlation among antenna elements with different array distances and to identify the corresponding throughput changes. By evaluating the channel power correlations for randomly distributed users within the sector for different horizontal and vertical antenna distances, we present the statistical characteristics which determine the transmission performance under the SCM environment.

LTE (long-term evolution) MIMO 시스템에서는 제한된 피드백 환경 하에서 추정된 채널 정보를 활용하기 위한 코드북이 사용되고 있으며, 이와 관련된 연구도 활발히 진행되었다. 기존에 활용된 방식으로는 VQ (vector quantization) 기반 및 DFT(discrete fourier transform) 기반으로 생성된 코드벡터를 활용하는 코드북이 있으며, LTE 표준에서도 이를 변형한 방식을 최대 8개의 송신 안테나에 대해 적용할 수 있게 규정하고 있다. 그러나 안테나 개수가 추가적으로 증가하고, 공간 채널 모델이 LTE 시스템 전송 성능 평가에 기본적인 모델로 활용됨에 따라, 이에 따른 새로운 빔포밍 방안 및 코드북 설계가 필요하다. 본 논문에서는 LTE 전송 성능 평가에 활용되는 3차원 공간 채널 모델 (3D Spatial Channel Model; 3D-SCM)의 구현을 통해 생성된 채널의 핵심적인 통계적 특성을 분석하고, 이에 따른 코드북 설계의 방향성을 제시하고자 한다. 특히 DFT 기반 코드 북 활용 시, 기존의 균일위상 DFT 코드북을 개선한 비균일위상 DFT 코드북을 제안하고, 주어진 SCM 환경에서 성능을 평가한다. 코드벡터 설계에 필요한 인접한 안테나 원소 간의 위상차의 통계적 특성의 경우 SCM에서 뚜렷한 경향성이 존재하며, 이를 적절히 활용함으로써 기존 방식 대비 이득을 발생시킬 수 있다.

For long-term evolution (LTE) MIMO transmission, codebooks are used to utilize the estimated channel information under the limited feedeback environment, and related study has been actively performed. Existing codebooks include codevectos constructed based on vector quantization (VQ) and discrete Fourier transform (DFT), and the LTE standard specifies codebooks modified from these examples to support up to 8 transmit antennas. As the number of antennas increases and as the spatial channel model is used as a standard environment to evaluate the LTE transmission performance, new beamforming methods as well as codebook designs are needed. In this paper, we implement the 3-dimensional spatial channel model (3D-SCM) to analyze the key statistical characteristics of the generated channel, and present efficient ways of determining corresponding codebooks. In particular, we propose a nonuniform-phase DFT-based codebook to improve the existing uniform-phase DFT-based codebook, and evaluate its performance under the given SCM transmission environment. There exists a strong tendancy in statistical distributions of the phase difference between adjacent antenna elements for the SCM, which can be appropriately exploited in codebook design to produce a performance gain over the existing design.

Channel-aquifer interaction is one of the key hydrological processes that determine water flows in the stream/river channel. Field measurements of channel-aquifer interaction, however, is very difficult and costly, particularly when one intends to understand its variations across a catchment for a long period. Hydrological simulations using a catchment model are a relatively easier and cheaper alternative provided the model structure is appropriate for describing channel-aquifer interaction. In this study, a catchment model called CAMEL (Chemicals from Agricultural Management and Erosion Losses) is used for estimating channel-aquifer interaction over time and space. CAMEL is a distributed catchment model to simulate transformation and transport processes of sediment and pollutants as well as water flows at the catchment scale. In the model, a catchment is represented using a network of square columns each of which is comprised of various storages of water. CAMEL explicitly simulates both surface and subsurface processes including channel-aquifer interaction. This paper presents an application study results of CAMEL for the Tarland Burn Catchment, a small (catchment area $52\;km^2$) rural catchment in Scotland, UK, demonstrating some of the channel-aquifer interaction dynamics across the catchment during a 2-year period.