KR101043808B1 - Beamforming apparatus and method for mimo system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 이 장치는 수신 장치로부터의 채널 상태 정보를 이용하여 선처리 행렬 를 추출하는 선처리 행렬 추출부, 그리고 선처리 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 선처리부를 포함한다. 이때 선처리 행렬 의 번째 열벡터 는 전송 최대비 결합 행렬 과 가중치 벡터 의 선형 조합으로 이루어진다. 본 발명에 의하면, 낮은 연산 복잡도를 가지면서도 SVD 방식과 동일한 성능을 제공할 수 있다.The present invention relates to a beamforming apparatus and method for a multiple input / output system, wherein the apparatus comprises a preprocessing matrix using channel state information from a receiving apparatus. A preprocessing matrix extracting unit for extracting a, and a preprocessing unit for generating a transmission signal by performing an operation using the preprocessing matrix and symbols. Preprocessing matrix of Vector Is the transmission maximum ratio combining matrix And weights vector Consists of a linear combination of. According to the present invention, it is possible to provide the same performance as the SVD method while having low computational complexity.
다중 입출력 시스템, 빔형성, 특이값 분해, 채널 행렬, 선처리 행렬 Multiple input / output system, beamforming, singular value decomposition, channel matrix, preprocessing matrix
Description
본 발명은 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a beamforming apparatus and method for a multiple input / output system.
최근 무선 통신 환경에서 음성 서비스를 비롯한 다양한 멀티미디어 서비스를 제공하고, 고품질 및 고속의 데이터 전송을 지원하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 연구의 일환으로 공간 영역의 채널을 이용하는 다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. MIMO 기술은 송수신 양단에 다중 안테나를 사용함으로써 한정된 주파수 자원 내에서 채널 용량을 증대하여 높은 데이터 전송률을 제공할 수 있다.Recently, many studies have been conducted to provide various multimedia services including voice services in a wireless communication environment and to support high quality and high speed data transmission. As part of this research, research on multiple-input multiple-output (MIMO) systems using channels in the spatial domain has been actively conducted. MIMO technology can provide a high data rate by increasing the channel capacity within a limited frequency resource by using multiple antennas at both ends of the transmission and reception.
다중 송수신 안테나를 이용하는 기술로서 어레이 안테나를 이용하는 레이더 기술, 수중 공간에서의 소나 기술, 무선 통신 시스템의 빔형성 기법 등이 예전부터 연구되어 왔으며, 최근 무선 통신 시스템에서의 용량 증대에 대한 요구가 증가되면서 이러한 MIMO 기술 연구에 대한 관심이 집중되고 있다. 시공간(Space-Time) 기술이라고도 불리는 MIMO 기술은 산란체가 풍부한 채널 환경에서 다중 송수신 안테나를 사용함으로써 이론적으로는 송신과 수신 안테나 중 적은 수의 안테나 수에 비 례하는 채널 용량을 얻을 수 있다. 실제로 벨연구소를 중심으로 한 많은 연구 결과를 통해 송수신단에 여러 개의 안테나를 사용하고 적절한 신호 처리 기술을 사용함으로써 높은 시스템 용량을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.As a technique of using multiple transmit / receive antennas, radar technology using an array antenna, sonar technology in an underwater space, beamforming technology of a wireless communication system, and the like have been studied for a long time. Recently, as the demand for increasing capacity in a wireless communication system increases, Attention has been focused on such MIMO technology research. MIMO technology, also known as space-time technology, can theoretically achieve channel capacity that is proportional to the smaller number of transmit and receive antennas by using multiple transmit / receive antennas in a scatter-rich channel environment. Indeed, many studies, especially the Bell Labs, show that high system capacity can be achieved by using multiple antennas at the transceiver and using appropriate signal processing techniques.
MIMO 환경에서 폐루프 전송 기법이란 송신단이 수신단에서 추정한 채널 정보를 궤환 받아 그 정보를 이용하여 데이터를 전송하는 기법으로 채널의 정보를 이용함으로써 시스템의 용량이나 평균 오차율을 향상시킬 수 있다. 이때 송신단이 수신단으로부터 받는 채널 정보의 특성에 따라 크게 전체 채널 궤환과 제한된 채널 궤환 방식으로 구분할 수 있으며 이러한 채널 정보로부터 여러 전송 기법을 적용할 수 있다. 그러나 이 경우 채널 정보를 궤환하기 위해 상향 링크의 많은 주파수 자원을 점유하는 문제점을 안고 있으며 궤환 채널에 오차가 발생할 경우 성능이 급격히 열화되는 단점을 나타낸다. 전체 채널 궤환인 경우는 수신단에서 추정한 MIMO 시스템의 모든 채널 정보를 송신단에 궤환하고 송신단은 이 채널 정보를 이용하여 시스템 성능을 향상시키기 위한 전송 기법을 적용할 수 있다.In the MIMO environment, the closed-loop transmission technique is a technique in which a transmitter receives feedback channel information estimated by a receiver and transmits data using the information, thereby improving system capacity and average error rate by using channel information. In this case, the transmitter can be classified into a total channel feedback and a limited channel feedback scheme according to characteristics of the channel information received from the receiver, and various transmission schemes can be applied from the channel information. However, in this case, it has a problem of occupying many frequency resources of the uplink in order to feed back channel information, and shows a disadvantage in that the performance deteriorates rapidly when an error occurs in the feedback channel. In the case of full channel feedback, all channel information of the MIMO system estimated by the receiver is fed back to the transmitter, and the transmitter can apply a transmission scheme for improving system performance using the channel information.
송수신단이 모든 채널 정보를 알고 있으면 채널 행렬의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)로부터 채널을 간섭이 존재하지 않는 가상의 평행한 부채널들로 분리할 수 있고 각 부채널에 대한 고유치를 이용하여 신호 처리함으로써 채널 용량과 평균 오차율을 최적화할 수 있다. 총 송신 전력이 제한되어 있을 때, 워터 필링(water-filling) 기법을 이용하여 송신 전력을 안테나마다 할당함으로써 채널 용량에 대한 최적해를 구할 수 있다. 이러한 채널 용량은 개루프 방식에서 송신 안테나마다 동일한 전력을 할당하는 방식에 비해 큰 값을 갖는 다. 특히, 신호 대 잡음비가 작을수록 또한 채널간 상관도가 클수록 그 차이는 더욱 커지게 된다. 하지만 이처럼 최적의 SVD 기반 전송 방식은 채널 행렬의 SVD 연산을 요구하기 때문에, 안테나 개수가 많아질수록 그 계산 복잡도가 크게 증가하므로 실제 구현에 어려움이 있다.If the transceiver knows all the channel information, it can separate the channel into virtual parallel subchannels without interference and use the eigenvalues for each subchannel from Singular Value Decomposition (SVD) of the channel matrix. Signal processing to optimize channel capacity and average error rate. When the total transmit power is limited, an optimal solution for channel capacity can be obtained by allocating transmit power for each antenna using a water-filling technique. This channel capacity is larger than the method of allocating the same power for each transmit antenna in the open loop scheme. In particular, the smaller the signal-to-noise ratio and the greater the correlation between channels, the greater the difference. However, since the optimal SVD-based transmission method requires the SVD operation of the channel matrix, the computational complexity increases greatly as the number of antennas increases, which makes it difficult to actually implement.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 최적의 빔형성 방식인 SVD 기반 전송 방식의 성능과 실질적으로 동일한 성능을 가지면서도 계산 복잡도가 낮은 폐루프 MIMO 시스템의 빔형성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a beamforming apparatus and method of a closed loop MIMO system having substantially the same performance as that of an SVD-based transmission scheme, which is an optimal beamforming scheme, and having low computational complexity.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치는, 수신 장치로부터의 채널 상태 정보를 이용하여 선처리 행렬 를 추출하는 선처리 행렬 추출부, 그리고 상기 선처리 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 선처리부를 포함하며, 상기 선처리 행렬 의 번째 열벡터 는 전송 최대비 결합 행렬 과 가중치 벡터 의 선형 조합으로 이루어지고, 이고, 상기 은 상기 송신 신호가 동시에 독립적으로 전송되는 데이터 스트림의 개수이다.In order to solve this technical problem, a beamforming apparatus of a multiple input / output system according to an exemplary embodiment of the present invention uses a preprocessing matrix by using channel state information from a receiving apparatus. A preprocessing matrix extracting unit for extracting a preprocessing matrix, and a preprocessing unit generating a transmission signal by performing an operation using the preprocessing matrix and the symbol; of Vector Is the transmission maximum ratio combining matrix And weights vector Consists of a linear combination of And Is the number of data streams in which the transmission signal is independently transmitted simultaneously.
상기 인 경우 상기 열벡터 이고, 상기 전송 최대비 결합 행렬 이며, 상기 가중치 벡터 이고, 상기 는 상기 채널 정보로부터 연산된 채널 행렬 의 에르미트 전치 행렬이며, 상기 는 첫 번째 위치가 1이고 다른 위치가 0으로 이루어진 단위 벡터이고, 상기 은 상기 전송 최대비 결합 행렬 의 첫 번째 열벡터이다.remind The column vector if And the transmission maximum ratio coupling matrix And the weight vector And Is a channel matrix computed from the channel information Hermitian transpose of Is a unit vector of which the first position is 1 and the other position is 0, Is the transmission maximum ratio coupling matrix Is the first column vector of.
상기 인 경우 상기 열벡터 이고, 상기 전송 최대비 결합 행렬 이며, 상기 가중치 벡터 이고, 상기 는 상기 채널 정보로부터 연산된 채널 행렬 의 에르미트 전치 행렬이며, 상기 는 첫 번째 위치가 1이고 다른 위치가 0으로 이루어진 단위 벡터이고, 상기 은 상기 전송 최대비 결합 행렬 의 첫 번째 열벡터이며, 상기 는 양의 실수이다.remind The column vector if And the transmission maximum ratio coupling matrix And the weight vector And Is a channel matrix computed from the channel information Hermitian transpose of Is a unit vector of which the first position is 1 and the other position is 0, Is the transmission maximum ratio coupling matrix Is the first column vector of Is a positive real number.
상기 인 경우 상기 열벡터 이고, 상기 전송 최대비 결합 행렬 ()이며, 상기 가중치 벡터 이고, 상기 는 상기 채널 정보로부터 연산된 채널 행렬 의 에르미트 전치 행렬이며, 상기 는 m번째 위치가 1이고 다른 위치가 0으로 이루어진 단위 벡터이고, 상기 은 상기 전송 최대비 결합 행렬 의 m번째 열벡터이다.remind The column vector if And the transmission maximum ratio coupling matrix ( ) And the weight vector And Is a channel matrix computed from the channel information Hermitian transpose of Is a unit vector of m-
상기 인 경우 상기 열벡터 이고, 상기 전송 최대비 결합 행렬 ()이며, 상기 가중치 벡터 이고, 상기 는 상기 채널 정보로부터 연산된 채널 행렬 의 에르미트 전치 행렬이며, 상기 는 m번째 위치가 1이고 다른 위 치가 0으로 이루어진 단위 벡터이고, 상기 은 상기 전송 최대비 결합 행렬 의 m번째 열벡터이며, 상기 는 양의 실수이다.remind The column vector if And the transmission maximum ratio coupling matrix ( ) And the weight vector And Is a channel matrix computed from the channel information Hermitian transpose of Is a unit vector of m-
본 발명의 다른 태양에 따른 다중 입출력 시스템의 빔형성 방법은, 수신 장치로부터의 채널 상태 정보를 이용하여 선처리 행렬 를 추출하는 단계, 그리고 상기 선처리 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 선처리 행렬 의 번째 열벡터 는 전송 최대비 결합 행렬 과 가중치 벡터 의 선형 조합으로 이루어지고, 이며, 상기 은 상기 송신 신호가 동시에 독립적으로 전송되는 데이터 스트림의 개수이다.According to another aspect of the present invention, a beamforming method of a multiple input / output system includes a preprocessing matrix using channel state information from a receiving device. Extracting and generating a transmission signal by performing an operation using the preprocessing matrix and the symbol; of Vector Is the transmission maximum ratio combining matrix And weights vector Consists of a linear combination of And said Is the number of data streams in which the transmission signal is independently transmitted simultaneously.
이와 같이 본 발명에 따른 MIMO 시스템의 빔형성 장치 및 방법에 의하면 SVD 기반 전송 방식에 비하여 계산 복잡도가 낮으면서도 실질적으로 동일한 시스템 성능을 얻을 수 있다.As described above, according to the beamforming apparatus and method of the MIMO system according to the present invention, it is possible to obtain substantially the same system performance while having a lower computational complexity than the SVD-based transmission scheme.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 MIMO 시스템의 빔형성 장치가 포함되어 있는 송신 장치 및 수신 장치에 대하여 상세하게 설 명한다.First, a transmission apparatus and a reception apparatus including a beamforming apparatus of a closed loop MIMO system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 전송 장치를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 수신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a transmission apparatus of a MIMO system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram illustrating a receiving apparatus of a MIMO system according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 전송 장치는 채널 부호부(110), 비트 인터리버(120), 직병렬 변환부(130), 복수의 매핑부(140, 145), 선처리부(150), 복수의 송신 안테나(160, 165), 그리고 선처리 행렬 연산부(170)를 포함하고, 수신 장치는 채널 복호부(210), 비트 디인터리버(220), 병직렬 변환부(230), 복수의 디매핑부(240, 245), 후처리부(250), 그리고 복수의 수신 안테나(260, 265)를 포함한다. 여기서 매핑부(140, 145)의 수효와 송신 안테나(160, 165)의 수효는 동일하고, 디매핑부(240, 245)의 수효와 수신 안테나(260, 265)의 수효는 동일하다. 본 발명의 실시예에 따른 빔형성 장치는 좁은 의미로 선처리부(150) 및 선처리 행렬 추출부(170)를 포함하지만 넓은 의미로 채널 부호부(110), 비트 인터리버(120), 직병렬 변환부(130) 및 매핑부(140, 145)를 더 포함할 수 있다.A transmission apparatus according to an embodiment of the present invention includes a
이하 는 송신 안테나(160, 165)의 개수를, 은 수신 안테나(260, 265)의 개수를, 은 동시에 전송되는 독립적인 데이터 스트림의 개수를 나타내는 것으로 한다. 이때 식 이 성립한다. 그리고 보통 문자는 스칼라를, 볼드체 소문자는 벡터를, 볼드체 대문자는 행렬을 나타내고, 는 공액 복소수(complex conjugate)를, 는 전치(transpose)를, 는 에르미트 전치(Hermitian transpose)를 나타내는 것으로 한다.Below Is the number of
채널 부호부(110)는 수신 장치로 전송하려는 정보 비트(Information Bits)를 부호화한다. 즉, 채널 부호부(110)는 전파 전송 중에 발생할 수 있는 랜덤 에러(random error)를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 정보 비트 내에 CRC 코드(Cyclic Redundancy Check Code), 컨볼루셔널 코드(Convolutional Code) 등을 삽입한다.The
비트 인터리버(120)는 전파 전송 중에 발생할 수 있는 버스트 에러(burst error)나 페이딩(fading)에 의해 발생한 에러를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 채널 부호부(110)로부터 제공받은 비트 스트림의 배열 등을 변경한다. 비트 인터리버(120)는 블록 인터리빙(interleaving), Helical 인터리빙, 랜덤 인터리빙 등의 방법을 이용하여 비트 스트림의 배열 등을 변경할 수 있다.The
직병렬 변환부(130)는 비트 인터리버(120)로부터 직렬로 입력되는 비트 스트림을 매핑부(140, 145)의 수효에 따라 복수의 병렬 비트 스트림으로 변환하여 해당 매핑부(140, 145)에 보낸다. 각 병렬 스트림은 직렬 비트 스트림을 매핑부(140, 145)의 변조 레벨(modulation level)에 대응하는 일정 비트수만큼씩 잘라서 생성된다. 여기서 변조 레벨은 매핑부(140, 145)에서 이용되는 변조 방식에 따라 결정된다. 예를 들어, 매핑부(140, 145)의 개수가 두 개이고 변조 방식이 16-QAM이라면, 직렬로 입력되는 비트 스트림을 4비트 단위로 하여 두 개의 병렬 비트 스트림으로 변환할 수 있다.The serial-to-
매핑부(140, 145)는 직교 진폭 변조(Quadrature Amplitude Modulation, QAM), 직교 위상 편이 변조(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 등의 변조 방식을 이용하여 직병렬 변환부(130)로부터 제공받은 병렬 비트 스트림을 심벌로 변환한다. 즉, 매핑부(140, 145)는 비트 스트림을 차원의 심벌 벡터 로 변환할 수 있다. 여기서 심벌 벡터 는 로 나타낼 수 있으며, 는 번째 타임 슬롯(time slot)를 나타낸다.The
선처리부(150)는 심벌 와 선처리 행렬(Precoding Matrix) 을 이용하여 아래의 [수학식 1]과 같은 연산을 수행하고 선처리된 신호 벡터 를 생성한다. 선처리 행렬 는 빔형성 행렬(Beamforming Matrix)이라고도 하며 이하 이 둘을 혼용하여 사용하기로 한다.The
여기서 은 행렬 의 번째 열벡터를 나타낸다.here Silver matrix of The second column vector.
선처리 행렬 추출부(170)는 수신 장치로부터 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)를 받아 선처리 행렬 를 추출한다. 선처리 행렬 추출부(170)는 채널 상태 정보로서 채널 행렬(channel matrix) 자체를 수신하고 이를 이용하여 연산 처리를 수행함으로써 선처리 행렬 를 결정할 수도 있지만, 수신 장치로부터 채널 행렬과는 직접 관련이 없는 데이터 스트림을 받아 이로부터 채널 행렬을 추출하고 채널 행렬을 이용하여 연산 처리를 수행함으로써 선처리 행렬 를 결정할 수도 있다.The preprocessing
송신 안테나(160, 165)는 선처리부(150)로부터 제공받은 신호 벡터 에 대응하는 전파를 내보낸다.The
수신 안테나(260, 265)는 송신 장치로부터 수신된 신호 벡터 를 후처리부(250)로 보낸다. 벡터 는 아래의 [수학식 2]와 같다.Receive antennas 260 and 265 are signal vectors received from a transmitting device Send to the post-processing unit (250). vector Is shown in
여기서 는 복소 가우시안 노이즈(Gaussian noise) 벡터를 나타내며, 채널 행렬 는 와 같다. 여기서 는 j번째 송신 안테나와 i번째 수신 안테나 사이의 채널 응답을 나타내고, 는 채널 행렬 의 i번째 행벡터(row vector)를 나타낸다. 그리고 아래의 [수학식 3]이 성립한다고 가정한다.here Denotes a complex Gaussian noise vector, and the channel matrix Is Same as here Denotes a channel response between the j th transmit antenna and the i th receive antenna, Is the channel matrix Represents the i th row vector of the. And it is assumed that
여기서 는 유클리디안 놈(Euclidean norm)을 나타낸다.here Represents the Euclidean norm.
후처리부(250)는 아래의 [수학식 4]와 같이 수신 안테나(260, 265)로부터 제공받은 신호 에 대하여 필터링을 수행하여 심벌 을 생성한다. 즉, 후처리부(250)는 수신 안테나(250, 265)로부터 제공받은 신호 벡터 에 수신 행렬(receive matrix) 를 곱하여 심벌 를 생성한다.
여기서 는 필터 출력 노이즈(filter output noise)를 나타내며, 심벌 벡터 는 로 나타낼 수 있다.here Denotes the filter output noise, and the symbol vector Is It can be represented as.
디매핑부(240, 245)는 매핑부(140, 145)에서 이용된 변조 방식에 대응하는 복조 방식으로 심벌 를 비트 스트림으로 변환한다. 즉, 디매핑부(240, 245)는 후처리부(250)로부터 제공받은 심벌 벡터 를 복조하여 비트 스트림으로 변환한다.The
병직렬 변환부(230)는 디매핑부(240, 245)로부터 병렬로 입력되는 비트 스트림을 직렬 비트 스트림으로 변환한다.The
비트 디인터리버(220)는 송신 장치에서 이용한 인터리빙 방법에 따라 병직렬 변환부(230)로부터 제공받은 비트 스트림의 배열 등을 변경하여 원래의 비트 스트림으로 변환한다.The bit deinterleaver 220 changes the arrangement of the bit stream provided from the parallel-to-
채널 복호부(210)는 비트 디인터리버(220)로부터 제공받은 비트 스트림 내에 삽입되어 있는 CRC 코드, 컨볼루셔널 코드 등을 이용하여 에러 여부를 체크하고, 에러가 존재하는 경우 에러를 정정하여 최종적으로 송신 장치에서 전송한 것으로 예측되는 추정 비트를 생성한다.The
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 송신 장치의 선처리 행렬 추출부(170)에서 선처리 행렬 를 결정하는 방법에 대해 설명한다. 먼저 동시에 전송되는 독립적인 데이터 스트림의 개수가 1개인 경우(단일 빔형성)부터 설명하고, 이후 데이터 스트림의 개수가 복수 개인 경우(복수의 빔형성)에 대해 설명한다.Then, the preprocessing matrix in the
단일 빔형성 ( ) Single beamforming ( )
빔형성 벡터 (위에서 설명한 빔형성 행렬 의 첫 번째 열벡터)를 전송 최대비 결합(Transmit Maximal Ratio Combining, TMRC) 벡터 의 조합으로 나타내면 아래의 [수학식 5]와 같다.Beamforming vector (Beamforming matrix described above Transmit Maximal Ratio Combining (TMRC) Vector When expressed as a combination of
여기서 TMRC 벡터 는 로 정의된다. [수학식 5]는 다음과 같은 행렬 형태로 쓸 수 있다. , 여기서 TMRC 행렬 는 로 정의되고, 가중치 벡터 는 로 정의된다. 단일 빔형성의 경우 식 가 성립된다.Where TMRC vector Is Is defined as
수신 장치에서 최대비 결합(Maximal Ratio Combining, MRC) 기법이 적용된다고 가정하면, 최대비 결합(MRC) 콤바이너(combiner)의 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)는 과 같다. 여기서 는 평균 성좌점 에너지(average constellation energy)를 의미한다. 따라서 이러한 신호대 잡음비(SNR)를 최대화하는 것은 을 최대화하는 것과 동일하다. 그러면 문제는 아래의 [수학식 6]과 같이 수식화된다.Assuming that the maximum ratio combining (MRC) technique is applied at the receiving device, the signal-to-noise ratio (SNR) of the maximum ratio combining (MRC) combiner is Is the same as here Is the average constellation energy. Therefore, maximizing this signal-to-noise ratio (SNR) Is the same as maximizing. The problem is then formulated as in
[수학식 6]을 해결하기 위하여 간단하게 를 미리 결정된 벡터로서 아래의 [수학식 7]과 같이 선택할 수 있다.Simply to solve [Equation 6] May be selected as
여기서 는 i번째 위치는 1이고 다른 위치는 0으로 이루어진 단위 벡터(unit vector)를 의미한다. [수학식 7]과 같이 선택하는 것은 관측에 기초 한 것으로서, 하나의 행벡터 에 매치되는 TMRC 벡터를 이용하면 적절한 를 선택함으로써 SVD 방식의 성능과 거의 근접한 성능을 제공할 수 있다. [수학식 7]에서 이라고 선택한 것은 [수학식 3]에서의 가정으로 인하여 빔형성 벡터 이 최대 에너지를 가지는 채널 행벡터에 매치된다는 것을 의미한다. 이러한 에너지 기반 선택은 일 때 거의 최적이 되나, 인 경우라도 성능 손실은 큰 차이가 없다(도 3 참조). 지금까지 설명한 방식을 일반화된 송신 최대비 결합 타입 Ⅰ(Generalized TMRC Type Ⅰ, G-TMRC Type-Ⅰ)이라 명명한다.here Is the i position is 1 and the other is 0 It means a unit vector. Equation (7) is based on observation, one row vector Using TMRC vectors that match By selecting, we can provide a performance close to that of the SVD method. In [Equation 7] The beamforming vector is chosen due to the assumptions in [Equation 3]. This means that a match is made to the channel row vector having the maximum energy. This energy-based choice Is almost optimal when Even if the performance loss is not a big difference (see Fig. 3). The method described so far is referred to as Generalized TMRC Type I (G-TMRC Type-I).
한편 기울기 증가 알고리즘(gradient ascent algorithm)을 응용하여 G-TMRC Type-Ⅰ보다 성능을 좀더 향상시키는 방법에 대하여 설명한다.On the other hand, how to apply the gradient ascent algorithm to improve the performance more than G-TMRC Type-I.
기울기 증가 알고리즘은 [수학식 6]에서의 함수 가 에서 방향으로 진행한다면 함수 가 빠르게 증가한다는 관측 결과에 기초한다. 여기서 는 가 일 때 함수 의 기울기를 나타낸 것으로서 로 나타낼 수 있다.The slope increasing algorithm is a function of
따라서 라고 정의되면 가 성립하며 충분히 작은 양의 실수 는 [수학식 9]와 같이 모델링 할 수 있다.therefore Is defined as A small enough mistake Can be modeled as shown in [Equation 9].
여기서 은 양의 실수이다.here Is a positive real number.
이와 같이 를 으로 선택하면 최적의 방식에 거의 근사한 성능을 제공할 수 있다. 이러한 방법을 일반화된 송신 최대비 결합 타입 Ⅱ(Generalized TMRC Type Ⅱ, G-TMRC Type-Ⅱ)라 명명한다. G-TMRC Type-Ⅱ에 의하면 G-TMRC Type-Ⅰ의 성능보다 다소 향상된 성능을 제공할 수 있다(도 3 참조).like this To In this case, we can provide a performance that approximates the optimal way. This method is called Generalized TMRC Type II (G-TMRC Type-II). According to the G-TMRC Type-II, a performance slightly improved than that of the G-TMRC Type-I may be provided (see FIG. 3).
G-TMRC Type-Ⅰ과 G-TMRC Type-Ⅱ를 정리하면 아래와 같다.G-TMRC Type-I and G-TMRC Type-II are summarized as follows.
도 3은 G-TMRC 방식과 SVD 방식의 성능을 비교하기 위하여 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프로서, 각 방식에 대하여 인 2Ⅹ2, 4Ⅹ4, 6Ⅹ6 시스템의 신호대 잡음비의 누적 분포 함수를 보여주고 있다. G-TMRC Type-Ⅱ의 경우 단순히 계산 복잡도를 최소화하기 위하여 를 150으로 하였다. SVD 기반 단일 선처리 방식(SVD-based Unitary Precoding, SVD-UP)은 최적의 성능을 보여주지만 본래의 반 복 연산으로 인하여 계산 복잡도와 수치 감도가 매우 높다. G-TMRC Type-Ⅰ은 SVD-UP와 비교하여 1dB 미만의 성능 저하가 있지만 계산 복잡도는 가장 낮다. G-TMRC Type-Ⅱ는 SVD-UP에 비하여 계산 복잡도가 낮을 뿐만 아니라 매우 근접한 성능을 제공한다.3 is a graph showing simulation results in order to compare the performance of the G-TMRC method and the SVD method. The cumulative distribution function of the signal-to-noise ratios of 2Ⅹ2, 4Ⅹ4, and 6Ⅹ6 systems is shown. In the case of G-TMRC Type-II, simply to minimize the computational complexity Was set to 150. SVD-based unitary precoding (SVD-UP) shows optimal performance, but due to the inherent repetitive operations, the computational complexity and numerical sensitivity are very high. G-TMRC Type-I has a performance degradation of less than 1dB compared to SVD-UP, but has the lowest computational complexity. G-TMRC Type-II is not only low computational complexity, but also very close to the SVD-UP.
복수의 빔형성 ( ) Multiple beamforming ( )
먼저 SVD 방식에 대하여 간단히 살펴본 다음, 동시에 전송되는 독립적인 데이터 스트림의 개수가 복수 개인 경우에 대하여 설명한다.First, the SVD scheme will be briefly described, and then the case where there are a plurality of independent data streams transmitted simultaneously will be described.
SVD-UP 방식에서의 선처리 행렬 를 로 두면, 우특이 벡터(right singular vectors) 는 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.Preprocessing Matrix in SVD-UP Method To If left, right singular vectors Can be expressed as shown in [Equation 10].
여기서 은 길이가 인 모든 단위 벡터의 집합이고, 은 벡터 와 직교하는 모든 단위 벡터의 집합을 나타낸다. 이것은 모든 차원의 단위 벡터 중에서가 일 때 이 최대화되는 반면, 벡터 와 직교하는 벡터 공간 내에서는 가 일 때 이 최대화된다는 것을 의미한다.here Is the length Is a set of all unit vectors, Silver vector Represents the set of all unit vectors orthogonal to. This is all Out of the unit vectors of the dimension end when While this is maximized, the vector In a vector space orthogonal to end when This means that it is maximized.
다시 본 발명의 실시예에 따른 G-TMRC 방식으로 돌아와서, [수학식 10]을 고 려하면, 빔형성 벡터 은 TMRC 벡터의 선형 조합으로서 [수학식 11]과 같이 표현할 수 있다.Returning to the G-TMRC method according to the embodiment of the present invention, considering
여기서 위첨자 은 복수의 빔형성 벡터와 구별하기 위한 것이다.Superscript here Is for distinguishing from the plurality of beamforming vectors.
을 초기값으로 하면, 첫 번째 빔형성 벡터 은 이며, 은 앞서 설명한 단일 빔형성인 경우의 를 선택하는 방법을 이용하여 결정된다. 즉, 은 [수학식 12]와 같이 결정된다. Is the initial value, the first beamforming vector silver Is, Is the case of the single beamforming described above. Is determined using the method of selecting. In other words, Is determined as shown in
여기서 은 식 을 충족하도록 선택된다.here Silver expression Is chosen to meet.
그리고 직교사영(orthogonal projection)을 이용하면 빔형성 벡터 에 직교하는 빔형성 벡터 를 구할 수 있다. 이 때문에 를 계산할 수 있으며, 이것은 다음 [수학식 13]과 동등하다.And using orthogonal projection, beamforming vector Beamforming Vector Orthogonal to Can be obtained. Because of this Can be calculated, which is equivalent to Equation 13 below.
여기서 은 의 i번째 열을 나타낸다.here silver It represents the i th column of.
를 계산하기 위해 가중치 벡터 를 결정해야 한다. G-TMRC Type-Ⅰ의 경우에 는 [수학식 14]와 같이 미리 결정될 수 있다. Weight vector to calculate Must be determined. In the case of G-TMRC Type-Ⅰ May be predetermined as shown in [Equation 14].
는 가장 큰 행벡터 가 아니라 두 번째로 큰 행벡터 에 매칭된다. Is the largest row vector Not the second largest row vector Is matched to
단일 빔형성의 경우에서와 마찬가지로 기울기 증가 알고리즘을 이용하면 G-TMRC Type-Ⅱ의 경우에는 가중치 벡터 을 [수학식 15]와 같이 선택할 수 있다.As in the case of single beamforming, the gradient vector increases the weight vector in the case of G-TMRC Type-II. Can be selected as shown in [Equation 15].
여기서 은 식 이 성립하도록 결정된다.here Silver expression It is determined to hold.
이와 같은 방법으로 도 결정할 수 있다. 복수의 빔형성인 경우의 G-TMRC 방식을 정리하면 다음과 같다.In this way Can also be determined. The G-TMRC scheme in the case of a plurality of beamforming is summarized as follows.
송신 장치에서 요구되는 채널 상태 정보(CSI)의 양을 비교해보면, 주파수 분할 듀플렉스(Frequency Division Duplex, FDD) 시스템에서, G-TMRC Type-Ⅰ 방식이면 전송 데이터 스트림의 개수가 보다 작을 때 선처리 행렬의 계산을 위하여 단지 개의 행벡터가 요구되므로 피드백 오버헤드(feedback overhead)를 줄일 수 있다. 이와 반대로 G-TMRC Type-Ⅱ 방식이면 SVD 방식과 마찬가지로 전체 채널 상태 정보(Full CSI)가 요구된다. 그럼에도 불구하고 G-TMRC Type-Ⅱ 방식의 연산 복잡도는 SVD 방식에 비하여 확실히 낮다. 한편 시분할 듀플렉스(Time Division Duplex, TDD) 시스템에서, G-TMRC Type-Ⅰ 방식의 수신 장치는 채널 상태 정보를 전송하기 위한 업링크(uplink)용으로 개의 안테나가 아니라 개의 안테나가 요구되므로 시스템 비용을 더욱 줄일 수 있다.When comparing the amount of channel state information (CSI) required by the transmitting apparatus, in the frequency division duplex (FDD) system, if the G-TMRC Type-I scheme, the number of transmission data streams is Less than Only for the calculation of the preprocessing matrix Row vectors are required, which reduces the feedback overhead. In contrast, in the G-TMRC Type-II method, full channel state information (Full CSI) is required as in the SVD method. Nevertheless, the computational complexity of the G-TMRC Type-II scheme is clearly lower than that of the SVD scheme. Meanwhile, in a time division duplex (TDD) system, a receiving device of a G-TMRC Type-I type is used for uplink for transmitting channel state information. Not antennas Two antennas are required, further reducing system cost.
그러면 도 4 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 빔형성 방식(G-TMRC)과 SVD 방식에 대하여 연산 복잡도 및 성능 관점에서 비교하여 설명한다.Next, the beamforming method (G-TMRC) and the SVD method of the MIMO system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 6 in terms of computational complexity and performance.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 SVD 시스템의 연산 복잡도를 비교하기 위한 그래프이고, 도 5는 단일 빔형성인 경우 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 SVD 시스템의 성능을 비교하기 위한 그래프이며, 도 6은 복수의 빔형성인 경우 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 SVD 시스템의 성능을 비교하기 위한 그래프이다.4 is a graph for comparing the computational complexity of the system and the SVD system according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a graph for comparing the performance of the system and SVD system according to an embodiment of the present invention in the case of single beam forming 6 is a graph for comparing the performance of the system and the SVD system according to an embodiment of the present invention in the case of a plurality of beamforming.
도 4에 도시한 그래프는 송신/수신 안테나 수효()의 함수로서 G-TMRC 방식과 SVD 방식에서 요구되는 부동 소수점 곱셈의 횟수를 도시한 그래프이다. SVD 방식의 연산을 위하여 Power Method와 Jacobi Method라는 두 개의 SVD 연산 알고리즘을 사용하였다. 도 4에 보이는 것처럼 G-TMRC Type-Ⅰ 방식과 G-TMRC Type-Ⅱ 방식의 연산 횟수가 SVD 방식에 비하여 현저하게 낮다는 것을 알 수 있으며, Power Method의 연산 횟수에 비하여 각각 90% 및 50%가 줄어드는 것을 알 수 있다.The graph shown in FIG. 4 shows the number of transmit / receive antennas ( Is a graph showing the number of floating point multiplications required by the G-TMRC and SVD methods. Two SVD algorithms, Power Method and Jacobi Method, are used for the SVD operation. As shown in FIG. 4, it can be seen that the number of operations of the G-TMRC Type-I method and the G-TMRC Type-II method is significantly lower than that of the SVD method, and is 90% and 50%, respectively, compared to the number of calculations of the Power Method. It can be seen that the decrease.
도 5에 도시한 그래프는 16-QAM 변조 방식의 단일 빔형성 시스템의 성능을 나타내는 그래프이고, 도 6에 도시한 그래프는 이고 4-QAM 변조 방식의 복수의 빔형성 시스템의 성능을 나타내는 그래프로서, 가로축은 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)을 나타내고 세로축은 프레임 에러율(Frame Error Rate, FER)을 나타낸다. 도 5 및 도 6에 보이는 것처럼 G-TMRC Type-Ⅰ 방식은 SVD-UP 방식에 비하여 1dB 미만의 성능 손실을 보이지만 G-TMRC Type-Ⅱ 방식은 모든 안테나 구성에 대하여 SVD-UP 시스템과 거의 동일한 성능을 제공하는 것을 알 수 있다.5 is a graph showing the performance of a 16-QAM modulation single beamforming system, the graph shown in FIG. And a horizontal axis indicates a signal-to-noise ratio (SNR) and a vertical axis indicates a frame error rate (FER). As shown in FIGS. 5 and 6, the G-TMRC Type-I method exhibits a performance loss of less than 1 dB compared to the SVD-UP method, but the G-TMRC Type-II method has almost the same performance as the SVD-UP system for all antenna configurations. It can be seen that it provides.
그러면, 도 7을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 빔형성 방법에 대해 설명한다.Next, a beamforming method of the MIMO system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 빔형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a beamforming method of a MIMO system according to an embodiment of the present invention.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 송신 장치는 전파 전송 중에 발생할 수 있는 랜덤 에러를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 정보 비트 내에 CRC 코드, 컨볼루셔널 코드 등을 삽입하는 채널 부호화를 수행하고(S710), 버스트 에러나 페이딩에 의해 발생하는 에러를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 블록 인터리빙, Helical 인터리빙, 랜덤 인터리빙 등의 방법을 이용하여 비트 스트림의 배열 등을 변경하는 인터리빙을 수행한다(S720).First, a transmitter of a MIMO system according to an embodiment of the present invention performs channel encoding for inserting a CRC code, a convolutional code, and the like into an information bit so that a receiver may correct a random error that may occur during radio wave transmission. In operation S720, interleaving is performed to change the arrangement of the bit stream using a method such as block interleaving, helical interleaving, random interleaving, and the like so that the error caused by the burst error or fading may be corrected in the reception apparatus (S720).
그런 후 송신 장치는 배열이 변경된 직렬 비트 스트림을 변조 레벨에 기초하여 적어도 하나의 병렬 비트 스트림으로 변환하고(S730), 직교 진폭 변조(QAM), 직교 위상 편이 변조(QPSK) 등의 변조 방식을 이용하여 병렬 비트 스트림을 심벌 로 변환한다(S740).Thereafter, the transmitting apparatus converts the serially changed bit stream into at least one parallel bit stream based on the modulation level (S730), and uses modulation schemes such as quadrature amplitude modulation (QAM) and quadrature phase shift modulation (QPSK). Symbolize a parallel bit stream Convert to (S740).
송신 장치는 수신 장치로부터 채널 상태 정보를 받아 [수학식 5] 내지 [수학식 15]을 이용하여 선처리 행렬 를 추출한다(S750). 그런 후 송신 장치는 [수학식 1]과 같이 선처리 행렬 과 심벌 를 곱하여 선처리된 신호 를 생성(S760)해 내고 이를 송신 안테나를 통하여 전송한다(S770).The transmitting apparatus receives the channel state information from the receiving apparatus and uses the equations (5) to (15) to preprocess the matrix. To extract (S750). Then, the transmitting device performs a preprocessing matrix as shown in [Equation 1]. And the symbol Preprocessed signal by multiplying It generates (S760) and transmits it through the transmit antenna (S770).
설명의 편의를 위하여 단계(S740) 이후에 선처리 행렬 이 추출되는 것으로 도 7에 도시하였지만 단계(S750)는 단계(S710) 내지 단계(S740)와 별도로 수행될 수 있으며 단계(S760) 이전에 수행되면 된다.For convenience of explanation, the preprocessing matrix after step S740. Although this is illustrated in FIG. 7 as being extracted, step S750 may be performed separately from steps S710 to S740, and may be performed before step S760.
다음으로 수신 장치가 송신 장치로부터 전송 받은 신호를 처리하는 방법에 대하여 설명한다.Next, a method of processing a signal received from a transmitting device by the receiving device will be described.
수신 장치는 수신 안테나를 통하여 수신한 신호 에 수신 행렬 를 곱하여 심벌 를 생성한다. 수신 장치는 송신 장치에서 이용한 변조 방식에 대응하는 복조 방식으로 심벌 를 복조하여 비트 스트림으로 변환한다. 그런 후 수신 장치는 변환된 병렬 비트 스트림을 직렬 비트 스트림으로 변환한다. 수신 장치는 송신 장치에서 이용한 인터리빙 방법에 따라 직렬 비트 스트림의 배열 등을 변경하고, 비트 스트림 내에 삽입되어 있는 CRC 코드, 컨볼루셔널 코드 등을 이용하여 에러 여부를 체크하고, 에러가 존재하는 경우 에러를 정정하여 추정 비트를 생성한다. 수신 장치는 추정 비트를 생성하는 과정과는 별도로 송신 장치에 채널 상태 정보를 전송하여 송신 장치로 하여금 선처리 행렬을 추출할 수 있도록 한다.The receiving device receives the signal received through the receiving antenna Receive matrix Multiply the symbol . The receiving device uses the demodulation method corresponding to the modulation method used in the transmitting device. Demodulate to convert to a bit stream. The receiving device then converts the converted parallel bit stream into a serial bit stream. The receiving apparatus changes the arrangement of the serial bit stream according to the interleaving method used by the transmitting apparatus, checks whether there is an error using the CRC code, convolutional code, etc. inserted in the bit stream, and if there is an error, Is corrected to generate an estimated bit. The receiving apparatus transmits channel state information to the transmitting apparatus separately from the process of generating the estimated bits so that the transmitting apparatus can extract the preprocessing matrix.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 전송 장치를 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a transmission apparatus of a MIMO system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 수신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a receiving apparatus of a MIMO system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 G-TMRC 방식과 SVD 방식의 성능을 비교하기 위하여 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.3 is a graph showing a simulation result in order to compare the performance of the G-TMRC method and the SVD method.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 SVD 시스템의 연산 복잡도를 비교하기 위한 그래프이다.4 is a graph for comparing the computational complexity of the system and the SVD system according to an embodiment of the present invention.
도 5는 단일 빔형성인 경우 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 SVD 시스템의 성능을 비교하기 위한 그래프이다.5 is a graph for comparing the performance of the system and the SVD system according to an embodiment of the present invention in the case of single beamforming.
도 6은 복수의 빔형성인 경우 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 SVD 시스템의 성능을 비교하기 위한 그래프이다.6 is a graph for comparing the performance of the system and the SVD system according to an embodiment of the present invention in the case of a plurality of beamforming.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 빔형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a beamforming method of a MIMO system according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
110: 채널 부호부, 120: 비트 인트리버,110: channel coder, 120: bit input,
130: 직병렬 변환부, 140, 145: 매핑부,130: serial and
150: 선처리부, 160, 165: 송신 안테나,150: preprocessor, 160, 165: transmit antenna,
170: 선처리 행렬 추출부, 210: 채널 복호부,170: preprocessing matrix extractor, 210: channel decoder,
220: 비트 디인트리버, 230: 병직렬 변환부,220: bit de-inverter, 230: parallel-to-serial conversion unit,
240, 245: 디매핑부, 250: 후처리부,240, 245: demapping portion, 250: post-processing portion,
260, 265: 수신 안테나260, 265: receiving antenna
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