KR101051626B1 - Signal processing device and method for codebook based multi-antenna relay system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기지국과 중계국에서 코드북 기반 양자화 전처리기를 이용하여 시스템 성능 향상 및 채널 용량을 증대시키는 코드북 기반 다중 안테나 중계 시스템의 신호처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 코드북 기반의 다중 안테나 중계 시스템에서 중계국의 전처리 행렬 인덱스를 전송하는 방법에 있어서, 기지국에 구비된 다수 안테나와 상기 중계국에 구비된 다수 안테나 간의 채널 상태를 추정하는 과정과, 상기 추정된 채널 상태를 통해서 상기 채널의 성능을 나타내는 파라미터를 측정하는 과정과, 상기 측정된 파라미터에 해당된 전처리 행렬을 코드북에서 선택하고, 상기 선택된 전처리 행렬의 인덱스를 계산하고, 상기 계산된 전처리 행렬의 인덱스를 상기 기지국 및 상기 단말기로 동시에 전송하는 과정을 포함한다.
다중 안테나, 멀티 홉, 전처리 행렬
The present invention relates to a signal processing apparatus and method for a codebook-based multi-antenna relay system for improving system performance and increasing channel capacity by using a codebook-based quantization preprocessor at a base station and a relay station.
To this end, the present invention provides a method for transmitting a preprocessing matrix index of a relay station in a codebook-based multi-antenna relay system, comprising: estimating a channel state between a plurality of antennas provided in a base station and a plurality of antennas provided in the relay station; Measuring a parameter indicative of the performance of the channel through the determined channel state, selecting a preprocessing matrix corresponding to the measured parameter from a codebook, calculating an index of the selected preprocessing matrix, and indexing the calculated preprocessing matrix. Simultaneously transmitting to the base station and the terminal.
Multi-antenna, multi-hop, preprocessing matrix
Description
본 발명은 코드북 기반 다중 안테나 중계 시스템에 관한 것으로, 특히 기지국과 중계국에서 코드북 기반 양자화 전처리기를 이용하여 시스템 성능 향상 및 채널 용량을 증대시키는 코드북 기반 다중 안테나 중계 시스템의 신호처리 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a codebook-based multi-antenna relay system, and more particularly, to a signal processing apparatus and method of a codebook-based multi-antenna relay system for improving system performance and increasing channel capacity by using a codebook-based quantization preprocessor at a base station and a relay station.
일반적으로 3G 이후의 시스템(beyond the 3G system) 즉, 4세대 시스템은 무선망(Wireless Network)과 핵심망(Core Network) 모두 Ubiquitous & Seamless connection, High data rate, Openness, Network convergence의 특징이 갖춰져 있는 시스템을 말한다. 그리고, 이러한 4세대 시스템은 high data rate에 초점을 맞춰 대용량 데이터 전송이 가능하도록 설계된다.Generally, the 3G system (beyond the 3G system), that is, the 4th generation system, is characterized by Ubiquitous & Seamless connection, High data rate, Openness, and network convergence in both a wireless network and a core network. Say In addition, these fourth generation systems are designed to enable high-capacity data transmission with a focus on high data rates.
이러한 MIMO(Multiple Input Multiple Output)을 이용하여 동시에 다수의 송수신기들(예: 기지국들과 단말기들)간의 데이터 또는 신호를 송수신할 수 있다. 이러한, MIMO는 송수신 양단에 다중 안테나를 사용함으로써 한정된 주파수 자원 내에서 채널 용량을 증대하여 높은 데이터 전송율을 제공하기 위한 기술로서, 송신기 (예: 기지국)에 N개의 안테나를 배열하고 수신기에도 N개의 안테나를 배열한다. 이와 같이, 배열된 안테나를 사용하여 신호를 송수신하면 N배의 전송율 증가를 낼 수 있다. By using the multiple input multiple output (MIMO), it is possible to simultaneously transmit and receive data or signals between multiple transceivers (eg, base stations and terminals). MIMO is a technique for providing a high data rate by increasing channel capacity within a limited frequency resource by using multiple antennas at both ends of a transmission and reception. NMI is arranged in a transmitter (for example, a base station) and N antennas are also in a receiver. Arrange As such, when signals are transmitted and received using the arrayed antennas, an increase in transmission rate of N times may be obtained.
또한, 중계국을 도입하여 전송률의 증대와 통신 영역의 확대를 기대할 수 있다. 중계국은 음영지역에 대한 해소와 함게 저품질의 링크에 대해 고품질화가 가능하다. 이러한 중계국의 기술과 MIMO 기술이 함께 적용된 시스템 하에서 더욱 향상된 통신 용량 증대를 기대할 수 있다.In addition, the introduction of a relay station can be expected to increase the transmission rate and expand the communication area. The relay station is capable of high quality of low quality links with resolution of the shaded areas. It is expected to further increase communication capacity under the system in which the relay station technology and the MIMO technology are applied together.
그런데, 이러한 MIMO 기반 중계 시스템에서 다중 사용자가 동시에 서비스를 받을 경우 수신기들이 송신기로 피드백하는 피드백 정보의 양이 많아지게 되고, 결국 시스템 전체의 성능을 저하시키게 된다. 이러한 문제점을 극복하고자 종래에는 2005년 8월 IEEE Transaction of Information Theory에 개재된 'Limited Feedback Unitary Precoding for Spatial Multiplexing Systems'에서 제안한 내용을 다중 홉 시스템으로의 단순 확장하였다. 이 종래 기술에서 각 홉의 수신 노드는 채널을 추정하고, 추정된 채널을 이용하여 전처리 행렬 인덱스를 구하고, 구해진 전처리 행렬 인덱스를 송신 노드로 피드백하여 적은 양의 피드백으로 수신 성능을 향상시키거나 또는 채널 용량을 증대시키기 위한 코드북 기반 양자화 전처리 기법이 있다.However, in such a MIMO-based relay system, when multiple users are simultaneously serviced, the amount of feedback information fed back to the transmitters increases, resulting in a decrease in overall system performance. In order to overcome this problem, conventionally, the contents proposed by 'Limited Feedback Unitary Precoding for Spatial Multiplexing Systems' published in the IEEE Transaction of Information Theory in August 2005 have been simply extended to a multi-hop system. In this prior art, a receiving node of each hop estimates a channel, obtains a preprocessing matrix index using the estimated channel, and feeds back the obtained preprocessing matrix index to the transmitting node to improve reception performance with a small amount of feedback, or There is a codebook based quantization preprocessing technique to increase the capacity.
그런데, 이러한 종래 기술 역시 각 홉을 기존의 다중 안테나 시스템으로 고려하여 양자화 전처리 행렬을 결정하기 때문에, 다중 홉에 대한 종합적인 처리가 수행되지 않으므로 최적의 수신 성능 및 채널 용량을 얻을 수 없는 문제점이 있으며, 또한, 양자화 전처리 행렬을 선택할 경우 연산량이 코드북의 크기에 따라 기하 급수적으로 커지는 문제점이 있다. However, since the conventional technology also determines the quantization preprocessing matrix by considering each hop as an existing multi-antenna system, there is a problem in that optimal reception performance and channel capacity cannot be obtained because comprehensive processing for multiple hops is not performed. In addition, when the quantization preprocessing matrix is selected, the amount of computation increases exponentially with the size of the codebook.
본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위해서 착안된 것으로서, 코드북 기반 다중 홉 안테나 시스템에서 송신기 및 중계국에 전처리 기법을 적용하여 성능을 개선하는 코드북 기반 다중 홉 안테나 중계 시스템의 신호처리 장치 및 방법을 제공한다.The present invention has been conceived to solve the above-described problems, and provides a signal processing apparatus and method for a codebook-based multi-hop antenna relay system to improve performance by applying a preprocessing technique to a transmitter and a relay station in a codebook-based multi-hop antenna system. do.
상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은 코드북 기반 다중 안테나 시스템의 성능을 개선하는 코드북 기반 다중 홉 안테나 중계 시스템의 신호처리 장치 및 방법을 제공한다.The present invention provides a signal processing apparatus and method of a codebook-based multi-hop antenna relay system for improving the performance of the codebook-based multi-antenna system.
또한, 본 발명은 코드북 기반 다중 안테나 시스템의 중계국이 전처리 행렬의 인덱스를 기지국 및 단말기로 전송하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for a relay station of a codebook based multiple antenna system to transmit an index of a preprocessing matrix to a base station and a terminal.
상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 코드북 기반의 다중 안테나 중계 시스템에서 중계국의 전처리 행렬 인덱스를 전송하는 방법에 있어서, 기지국에 구비된 다수 안테나와 상기 중계국에 구비된 다수 안테나 간의 채널 상태를 추정하는 과정과, 상기 추정된 채널 상태를 통해서 상기 채널의 성능을 나타내는 파라미터를 측정하는 과정과, 상기 측정된 파라미터에 해당된 전처리 행렬을 코드북에서 선택하고, 상기 선택된 전처리 행렬의 인덱스를 계산하고, 상기 계산된 전처리 행렬의 인덱스를 상기 기지국 및 상기 단말기로 동시에 전송하는 과정을 포함한다.In order to achieve the above, the present invention provides a method for transmitting a preprocessing matrix index of a relay station in a codebook-based multi-antenna relay system, comprising: estimating a channel state between a plurality of antennas provided in a base station and a plurality of antennas provided in the relay station; And measuring a parameter representing the performance of the channel through the estimated channel state, selecting a preprocessing matrix corresponding to the measured parameter from a codebook, calculating an index of the selected preprocessing matrix, and calculating the calculated And simultaneously transmitting an index of a preprocessing matrix to the base station and the terminal.
또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 코드북 기반의 다중 안테나 중 계 시스템에서 중계국의 전처리 행렬 인덱스를 전송하는 방법에 있어서, 기지국에 구비된 다수 안테나와 상기 중계국에 구비된 다수 안테나 간의 채널 상태를 추정하는 채널 추정기와, 상기 추정된 채널 상태를 통해서 상기 채널의 성능을 나타내는 파라미터를 측정하는 파라미터 측정기와, 상기 측정된 파라미터에 해당된 전처리 행렬을 코드북에서 선택하고, 상기 선택된 전처리 행렬의 인덱스를 계산하고, 상기 계산된 전처리 행렬의 인덱스를 상기 기지국 및 상기 단말기로 동시에 전송하는 전처리 행렬 선택기를 포함한다. The present invention also provides a method for transmitting a preprocessing matrix index of a relay station in a codebook-based multi-antenna relay system, the channel state between a plurality of antennas provided in the base station and a plurality of antennas provided in the relay station. A channel estimator for estimating, a parameter measurer for measuring a parameter indicating the performance of the channel through the estimated channel state, a preprocessing matrix corresponding to the measured parameter in a codebook, and calculating an index of the selected preprocessing matrix And a preprocessing matrix selector for simultaneously transmitting the calculated indexes of the preprocessing matrix to the base station and the terminal.
상술한 바와 같이, 코드북 기반 다중 안테나 중계 시스템의 신호처리 방법 및 장치를 제공함으로써, 종래와 동일한 피드백의 양으로도 수신 성능을 개선하고, 채널 용량을 중대시키는 효과가 있으며, 또한 최적의 양자화 전처리 행렬을 선택할 경우 연산량이 코드북의 크기에 따라 기하급수적으로 커지는 것을 방지하는 효과가 있다.As described above, by providing a signal processing method and apparatus for a codebook-based multi-antenna relay system, there is an effect of improving reception performance and increasing channel capacity even with the same amount of feedback as in the prior art, and also an optimal quantization preprocessing matrix. In this case, the amount of computation can be prevented from growing exponentially with the size of the codebook.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등 에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operating principle of the preferred embodiment of the present invention. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to a user, a user's intention or custom. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
먼저, 후술될 상세한 설명에서 사용될 용어들에 대해 정의하면 다음과 같다.First, terms to be used in the detailed description to be described below are defined as follows.
- 기지국(Base Station) : 셀 내에 위치한 다수의 단말기들로 전송되는 데이터를 라우팅하거나 또는 다수의 단말기들로부터 수신되는 데이터를 목적지에 전송하는 장치이며, MT개의 송신 안테나와 MR개의 수신안테나가 구비되어 있다. 또한, 기지국은 파일럿 신호, 훈련열(training sequence)등을 이용해 중계국 또는 단말기와 연결된 채널 상태를 측정한다. -Base Station: A device for routing data transmitted to a plurality of terminals located in a cell or transmitting data received from a plurality of terminals to a destination. The M T transmit antennas and M R receive antennas It is provided. In addition, the base station measures the channel state connected to the relay station or the terminal using a pilot signal, a training sequence.
- 중계국(Relaying Station) : 기지국과 단말기간의 데이터의 원활한 송수신을 위한 장치로서, MT개의 송신 안테나와 MR개의 수신안테나가 구비되어 있다. 그리고, 원활한 데이터의 송수신을 위해 전파의 세기가 약한 지역 또는 음영 지역에 설치될 수 있으며, 셀 내에 다수 구비되어 있을 수 있다. 이러한 중계국은 기지국과 마찬가지로 파일럿 신호등을 이용해 기지국과의 채널 상태 및 단말과의 채널 상태를 측정한다.-Relaying station: A device for smoothly transmitting and receiving data between a base station and a terminal, and includes M T transmit antennas and M R receive antennas. In addition, the radio wave may be installed in a region or a shaded region where the intensity of radio waves is weak for smooth transmission and reception of data, and may be provided in a plurality of cells. Like the base station, the relay station measures the channel state with the base station and the channel state with the terminal using a pilot signal lamp.
- 단말기(Mobile Station) : 기지국 또는 중계국과 연결된 채널을 추정하고, 추정된 채널을 이용하여 전처리 행렬 인덱스를 구하여 기지국 또는 중계국으로 전송하고, MT개의 송신 안테나와 MR개의 수신안테나가 구비되어 있다. 그리고, 이동성이 보장되며, 상기 기지국의 제어하에 사용자에게 다양한 서비스를 제공한다.-Mobile station: estimates the channel connected to the base station or relay station, obtains the preprocessing matrix index using the estimated channel, transmits it to the base station or relay station, and has M T transmit antennas and M R receive antennas. . In addition, mobility is guaranteed and various services are provided to a user under the control of the base station.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 중계 시스템을 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram showing a multiple antenna relay system according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 중계 시스템은 기지국(100)과, 상기 기지국(100)으로부터 송수신되는 데이터 또는 신호를 중계해 주는 다수의 중계국들(200-250)과, 상기 기지국의 전파 반경내에 위치하며, 상기 기지국 또는 다수의 중계국들을 통해 데이터를 송수신하는 다수의 단말기들(300-320)로 구성된다.As shown, the multi-antenna relay system according to an embodiment of the present invention is a
이와 같이, 기지국(100), 다수 중계국들(200-250), 및 다수 단말기들(300-320)로 구성된 다중 안테나 중계 시스템에서, 기지국(100)는 셀 내의 단말기들에게 전송할 데이터를 전처리 과정을 수행한 후, 전처리 과정이 수행된 데이터를 구비된 다수의 안테나를 통해 중계국 또는 단말기로 전송한다. 중계국으로 데이터가 전송되는 경우는 단말기가 기지국으로부터 전송된 데이터를 직접 수신하지 못하는 음영 지역에 위치할 경우, 중계국은 기지국으로부터 수신된 데이터를 해당 단말기로 포워딩 해준다. 이처럼, 기지국이 전송한 데이터는 단말기로 직접 전송되거나 중계국을 통해서 단말기로 전송된다. 이러한 경로를 통해 데이터를 수신한 단말기 역시 다수의 수신 안테나를 통해 기지국이 전송하거나 중계국이 전송한 데이터를 수신한다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 기지국, 중계국 및 단말기의 기능을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.As such, in the multi-antenna relay system composed of the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 중계 시스템에서 기지국, 중계 국 및 단말기의 구성 블록도이다.2 is a block diagram of a base station, a relay station, and a terminal in a multi-antenna relay system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 중계 시스템은 기지국(100), 중계국(200), 및 단말기(300)로 구성된다. 또한, 상기 중계국(200)은 기지국에 구비된 다수 안테나와 상기 중계국에 구비된 다수 안테나 간의 채널 상태를 추정하고, 상기 추정된 채널 상태를 통해서 상기 채널의 성능을 나타내는 파라미터를 측정하고, 측정된 파라미터에 해당된 전처리 행렬을 코드북에서 선택하고, 상기 선택된 전처리 행렬의 인덱스를 계산하고, 상기 계산된 전처리 행렬의 인덱스를 상기 기지국 및 상기 단말기로 동시에 전송한다.As shown, the antenna relay system according to an embodiment of the present invention is composed of a
본 발명에서는 보다 명료한 기술을 위해서 기지국, 중계국 및 단말기가 각각 1개씩 있다고 가정하지만, 본 발명은 다수의 중계국 및 단말기가 존재하는 다중 안테나 중계 시스템에서 적용됨은 자명하다.In the present invention, it is assumed that there is one base station, one relay station, and one terminal for clarity. However, the present invention is obviously applied to a multi-antenna relay system in which a plurality of relay stations and terminals exist.
상기 기지국(100)은 구비된 다수의 송신 안테나를 통해 중계국(200) 또는 단말기로 데이터를 전송하면, 중계국(200)은 구비된 다수 수신 안테나를 통해 기지국(100)이 송신한 데이터를 수신한다. 기지국이 전송하는 상기 데이터는 파일럿 신호, 훈련열(training sequence)를 포함한다. 또한, 중계국(200)의 전력 정규화기(201)는 기지국(100)으로부터 데이터가 수신되면, 수신된 데이터의 신호의 전력을 정규화하고, 중계 전처리기(202)를 통해 단말기(300)에 전송한다. 그리고, 중계국(200)의 채널 추정기(203)는 기지국의 다수 송신 안테나들과 중계국 자신의 다수 수신 안테나가 연결된 채널의 상태를 추정하고, 성능 파라미터 측정기(204)는 추정된 채널 상태를 통해서 채널 성능을 나타내는 파라미터를 측정한다. 상기 파라미터 로는 SINR(Signal to Interference Noise Ratio), CINR(Carrier-to-Interference Noise Ratio), 데이터율, 또는 채널 용량(capacity)등을 포함한다. 또한, 채널 추정 기법이 ZF(Zero Forcing)인 경우 채널 성능 파라미터는 최소 특이값을 이용하며, 채널 추정 기법이 MMSE(Minimum Mean Squared Error)인 경우 채널 성능 파라미터는 최소의 MSE값을 이용한다. 또한, 채널 용량을 최대로 하는 채널 추정 기법이 있다. 즉, 전처리 행렬은 상기 기지국의 전처리 행렬과 상기 기지국과 상기 중계국간의 채널 행렬의 곱의 최소 특이값을 이용하는 ZF 기법, 상기 측정된 파라미터와 상기 기지국으로부터 전송되는 초기 신호간의 평균 제곱 오차(Mean Squared Error, MSE)를 최소화 하는 MMSE 기법, 채널 용량을 최대로 하는 기법 등이 있다.When the
이와 같이, 파라미터가 측정이 되면, 성능 파라미터 측정기(204)는 양자화 코드북(215)에서 측정된 파라미터에 만족하는 최적의 전처리 행렬을 양자화 코드북에서 선택한다. 그리고, 전처리 행렬 선택기(206)는 기지국(100)과 연결된 채널의 성능을 측정한 파라미터를 이용하여 선택된 전처리 행렬의 인덱스를 계산하여 기지국(100) 및 단말기(300)로 동시에 전송한다. 상기 전처리 행렬의 인덱스를 계산하는 과정은 후술한다.As such, when the parameter is measured, the
다수의 안테나가 구비된 단말기(300)의 채널 추정기(302)는 중계국(200)으로부터 정규화값이 수신되면, 수신된 정규화값을 통해서 기지국과 중계국간 및 중계국과 단말기 자신간에 연결된 채널의 상태를 추정한다. 그리고, 단말기의 성능 파라미터 측정기(303)는 중계국(200)과 단말기(300)간에 추정된 채널 상태와 중계국(200)으로부터 수신된 인덱스를 통해서 기지국(100)과 중계국(200)간의 채널과 중계국(200)과 단말기(300)간의 채널의 성능을 나타내는 파라미터를 측정한다. 파라미터가 측정이 되면, 단말기의 성능 파라미터 측정기(303)는 양자화 코드북(304)에서 측정된 파라미터에 따른 코드를 선택한다. 그리고, 전처리 행렬 선택기(305)는 중계국(200)과 연결된 채널의 성능을 측정한 파라미터를 이용하여 전처리 행렬을 선택하고, 선택된 전처리 행렬의 인덱스를 계산하여 중계국(200)으로 전송한다. 그리고, 중계국(200)은 단말기(300)로부터 수신된 전처리 행렬의 인덱스를 기지국(100)으로 전송한다.When the
이후, 기지국(100)은 중계국으로부터 수신된 인덱스에 해당된 전처리 행렬을 이용하여 중계국(200)으로 데이터를 전송한다. 그리고, 중계국(200) 역시 단말기(300)로부터 수신된 인덱스에 해당된 전처리 행렬을 이용하여 기지국(100)으로부터 수신된 데이터를 단말기(300)로 전송한다.Thereafter, the
이러한, 다중 중계 안테나 시스템에서 적은양의 피드백으로 수신 성능을 향상시키고, 채널 용량을 증대시키기 위해 전처리 행렬의 인덱스를 계산하기 위한 보다 상세한 설명은 다음과 같다.A more detailed description for calculating the index of the preprocessing matrix to improve the reception performance and increase the channel capacity with a small amount of feedback in the multiple relay antenna system is as follows.
도 2에 따른 기지국, 중계국, 및 단말기는 M개의 안테나가 구비되어 있으며, 이러한 시스템에서 각 단말기가 수신한 신호는 하기 <수학식 1>로 표현될 수 있다.The base station, relay station, and the terminal according to Figure 2 is provided with M antennas, the signal received by each terminal in such a system can be represented by the following equation (1).
<수학식 1>&Quot; (1) "
상기 <수학식 1>에서 ES는 기지국(100)과 중계국(200) 사이에서 전송되는 심볼의 에너지이며, NS는 전송되는 스트림의 갯수이다. H1, H2는 MR×MT 행렬로 표현될 수 있으며 각각 기지국과 중계국의 채널, 중계국과 단말기의 채널 상태를 나타낸 행렬이다. 그리고, F1, F2는 MT×NS행렬로 표현될 수 있으며, 각각 기지국 전처리 행렬과 중계국 전처리 행렬이다. S는 NS×1 송신 심볼 벡터로서 평균은 0이며 공분산 행렬(covariance matrix)은 INS이고, n1, n2는 각각 중계국과 수신기에서의 MR×1 잡음 벡터로서 서로 독립적이며 평균이 0이고, 공분산 행렬은 N0IMRd이다. 또한, β는 AF(Amplify-and-Forward)기법을 사용하는 중계국에서의 전력 정규와 계수로서 하기 <수학식 2>와 같이 표현될 수 있다.In Equation 1, E S is the energy of a symbol transmitted between the
<수학식 2><Equation 2>
상기 <수학식 2>에서 β는 AF기법을 사용하는 중계국에서의 전력 정규와 계수이고, ρ는 입력 신호대 잡음비로서 ES/N0를 의미하며, ∥X∥F는 행렬 X의 프로베니우스 놈(Frobenius norm)이다. 본 발명의 실시예에 따른 전처리 행렬 선택 기법은 상기 <수학식1>을 이용하여 수신기 ZF 수신기가 적용될 경우, MMSE 수신기가 적용될 경우, 채널 용량이 기준이 될 경우가 있다.본 발명에서는 수신 구조의 복잡도 와 연산의 편의를 위해서 수신 안테나의 개수 MR은 전송 스티림의 수 NS와 동일하다고 가정한다. 이하, 상술한 3가지의 전처리 행렬 선택 기법을 설명하면 다음과 같다. 덧붙혀 본 발명에 따른 수신기는 중계국 또는 단말기를 통칭한다.In Equation 2, β is the power normal and coefficient at the relay station using the AF technique, ρ is E S / N 0 as the input signal-to-noise ratio, ∥X∥ F is the Provenius norm of the matrix X (Frobenius norm). In the preprocessing matrix selection scheme according to the embodiment of the present invention, when the receiver ZF receiver is applied using Equation 1, the channel capacity may be the reference when the MMSE receiver is applied. For complexity and convenience of operation, it is assumed that the number M R of the receiving antennas is equal to the number N S of the transmission streams. Hereinafter, the three preprocessing matrix selection techniques described above will be described. In addition, the receiver according to the present invention collectively refers to a relay station or a terminal.
1. ZF 수신기의 전처리 행렬 선택 기법1. Preprocessing Matrix Selection Scheme for ZF Receivers
본 ZF 수신기의 수신 성능을 개선하는 전처리 행렬 선택 기법에서는 ZF 수신기의 성능이 검출된 스트림의 신호대 잡음비 중에서 가장 작은 값에 영향을 받는다는 사실을 이용한다. 먼저 송신 전처리 기법에서의 전처리 행렬 선택은 하기 <수학식 3>을 통해서 구할 수 있다.The preprocessing matrix selection technique that improves the reception performance of the ZF receiver takes advantage of the fact that the performance of the ZF receiver is affected by the smallest value of the signal-to-noise ratio of the detected stream. First, the selection of the preprocessing matrix in the transmission preprocessing scheme may be obtained through
<수학식 3>&Quot; (3) "
상기 <수학식 3>에서 σmin{X}는 행렬 X의 최소 특이값(singular value)이다. 수신기에서는 상기 <수학식 3>의 송신 전처리 행렬에 대한 정보를 이용하여 하기 <수학식 4>와 같이 중계 전처리 행렬의 인덱스를 찾을 수 있다.In
<수학식 4><Equation 4>
상기 <수학식 4>에서 β는 AF기법을 사용하는 중계국에서의 전력 정규와 계수이고, ρ는 입력 신호대 잡음비로서 ES/N0를 의미하며, σmin{X}는 행렬 X의 최소 특이값이고, F1, F2는 MT×NS행렬로 표현될 수 있으며, 각각 기지국 전처리 행렬과 중계국 전처리 행렬이고, H1, H2는 기지국과 중계국의 채널, 중계국과 단말기의 채널 상태를 나타낸 행렬로서 MR×MT 행렬로 표현될 수 있다. In Equation 4, β is power normalization and coefficient at the relay station using the AF technique, ρ is the input signal-to-noise ratio, E S / N 0 , and σ min {X} is the minimum singular value of the matrix X. , F 1 , F 2 can be represented by the M T × N S matrix, and the base station preprocessing matrix and the relay station preprocessing matrix, respectively, H 1 , H 2 represents the channel of the base station and relay station, the channel state of the relay station and the terminal It can be expressed as a matrix M R × M T as a matrix.
그리고, 상기 <수학식 3>에서 최소 특이값을 찾는 과정은 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)와 같은 복잡한 연산이 요구되지만, 이것은 하기 <수학식 5>를 통하여 간단한 연산으로 구할 수 있다.In addition, the process of finding the minimum singular value in
<수학식 5><
상기 <수학식 5>에서 n은 정방행렬 X의 크기이고, |X|는 행렬 X의 행렬식(determinant)이고, ci(X), ri(X)는 각각 행렬 X의 i번째 열(column)과 행(row)의 원소들의 절대값의 합을 의미한다.In
2. MMSE 수신기의 전처리 행렬 선택 기법2. Preprocessing Matrix Selection Technique of MMSE Receiver
MMSE 수신기는 검출된 신호와 원래 송신 신호간의 평균 제곱 오차(Mean Squared Error, MSE)를 최소화하는 수신기로서 수신기에서의 MMSE수신기는 하기 <수학식 6>과 같이 구성될 수 있다.The MMSE receiver minimizes the mean squared error (MSE) between the detected signal and the original transmission signal. The MMSE receiver in the receiver may be configured as in
<수학식 6><
그리고, 기지국에서의 전처리 행렬은 하기 <수학식 7> 을 이용하여 선택된다.The preprocessing matrix at the base station is selected using Equation 7 below.
<수학식 7><Equation 7>
상기 <수학식 7>에서 tr{X}는 X의 트레이스(trace)연산이고, (X)-1는 행렬 X의 역행렬이다. 수신기에서는 상기 <수학식 7>의 송신 전처리 행렬에 대한 정보를 이용하여 하기 <수학식 8>과 같이 중계국 전처리 행렬의 인덱스를 찾을 수 있다.In Equation 7, tr {X} is a trace operation of X, and (X) -1 is an inverse of matrix X. The receiver may find the index of the relay station preprocessing matrix as shown in
<수학식 8><
3. 채널 용량을 이용한 전처리 행렬 선택 기법3. Preprocessing Matrix Selection Technique Using Channel Capacity
채널 용량이 전처리 행렬의 선택 기준이 될 경우, 채널 용량을 최대로 하는 전처리 행렬의 인덱스를 선택하며, 전처리 행렬의 인덱스는 하기 <수학식 9>를 이용하여 찾을 수 있다.When the channel capacity is the selection criterion of the preprocessing matrix, the index of the preprocessing matrix maximizing the channel capacity is selected, and the index of the preprocessing matrix can be found using
<수학식 9>&Quot; (9) "
상기 <수학식 9>의 결과와 상기 <수학식 1>의 최종 수신 신호를 이용하면, 채널 용량을 구할 수 있고 이를 최대로 하는 전처리 행렬의 인덱스는 하기 <수학식 10>과 같다.Using the result of
<수학식 10><
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중계국의 전처리 행렬 전송을 나타낸 순서도이다. 3 is a flowchart illustrating preprocessing matrix transmission of a relay station according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 다수 안테나가 구비된 중계국은 기지국으로부터 데이터가 수신되면, 수신된 데이터를 통해서 다수 안테나가 구비된 기지국과 연결된 채널 상태를 추정한다(S310). 상기 데이터는 파일럿 신호, 및 훈련열(training sequence)를 포함한다. 그리고, 추정된 채널 상태를 통해서 추정된 채널의 성능을 나타내는 파라미터를 측정한다(S312). 상기 파라미터로는 SINR, CINR, 데이터율, 또는 채널 용량(capacity)등을 포함한다. 또한, 채널 추정 기법이 ZF(Zero Forcing)인 경우 성능 파라미터로는 최소 특이값을 포함하며, 채널 추정 기법이 MMSE(Minimum Mean Squared Error)인 경우 성능 파라미터로는 MSE의 최소값을 포함한다. 그리고, 측정된 채널 성능 파라미터를 이용하여 전처리 행렬 인덱스를 계산한다(S312). 그리고, 계산된 전처리 행렬 인덱스를 기지국 및 단말기로 전송한다(S314). 상기 전처리 행렬의 인덱스를 계산하는 과정은 전술하였으므로, 생략한다.As illustrated, when data is received from the base station, the RS equipped with multiple antennas estimates a channel state connected to the base station having multiple antennas based on the received data (S310). The data includes a pilot signal and a training sequence. In operation S312, a parameter representing the estimated channel performance is measured based on the estimated channel state. The parameters include SINR, CINR, data rate, channel capacity, and the like. In addition, when the channel estimation technique is zero forcing (ZF), the performance parameter includes a minimum singular value, and when the channel estimation technique is a minimum mean squared error (MMSE), the performance parameter includes a minimum value of the MSE. The preprocessing matrix index is calculated using the measured channel performance parameter (S312). Then, the calculated preprocessing matrix index is transmitted to the base station and the terminal (S314). Since the process of calculating the index of the preprocessing matrix has been described above, it will be omitted.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단말기의 전처리 행렬 전송을 나타낸 순서도이다.4 is a flowchart illustrating preprocessing matrix transmission of a terminal according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 단말기는 중계국으로부터 수신된 데이터를 통해 다수 안테나가 구비된 중계국과 단말기 자신이 연결된 채널 상태를 추정한다(S410). 뿐만 아니라, 상기 단말기는 중계국으로부터 수신된 데이터를 통해서 기지국과 중계국간의 채널 상태도 파악한다. 그리고, 중계국으로부터 전송된 전처리 행렬 인덱스가 수신되면, 상기 추정된 채널 상태 및 수신된 기지국과 중계국간의 전처리 행렬 인덱스를 이용하여 중계국과 단말기간의 전처리 행렬 인덱스를 계산한다(S414). 그리고, 상기 과정(S414)에서 계산된 전처리 행렬 인덱스를 중계국으로 전송한다(S416).As shown, the terminal estimates the channel state connected between the relay station equipped with multiple antennas and the terminal itself through the data received from the relay station (S410). In addition, the terminal determines the channel state between the base station and the relay station through the data received from the relay station. When the preprocessing matrix index transmitted from the relay station is received, the preprocessing matrix index between the relay station and the terminal is calculated using the estimated channel state and the preprocessing matrix index between the base station and the relay station (S414). The preprocessing matrix index calculated at step S414 is transmitted to the relay station at step S416.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3비트 코드북 이용시 비트 에러율을 종래 기술과 비교한 그래프이다.5 is a graph comparing bit error rates with the prior art when using a 3 bit codebook according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 3비트의 코드북을 이용했을 경우, 본 발명의 비트 에러율 성능을 종래기술의 성능과 최적의 전처리 기법, 그리고 최적의 양자화 전처리 기법 과 비교하면, 본 발명의 실시예에 따른 전처리 기법은 종래 전처리 기법 보다 우수한 성능을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한, 모든 채널의 정보를 다 알고 있다고 가정하여 구현이 불가능한 최적의 전처리 기법의 성능과 비교하여 볼때, 본 발명은 10-4비트 에러율에서 약 5dB 정도의 성능 열화가 발생하고 최적의 양자화 전처리 기법과 비교하여 볼때, 약 1dB 정도의 성능 열화가 발생한다. 그렇지만 코드북의 크기가 N일경우 연산량이 0(N2)인 최적의 양자화 전처리 기법에 비하여 본 발명의 연산량은 0(N)이다. 비슷한 연산량을 갖고 있는 종래기술의 성능과 비교하여 비트 에러율에서 ZF 수신기와 MMSE 수신기 모두 약 1dB정도의 성능 향상이 있음을 확인 할 수 있다.As shown, when using a 3-bit codebook, the bit error rate performance of the present invention is compared with the performance of the prior art, the optimal preprocessing technique, and the optimal quantization preprocessing technique, according to an embodiment of the present invention. It can be seen that has better performance than the conventional pretreatment technique. In addition, when compared with the performance of the optimal preprocessing technique that cannot be implemented assuming that the information of all channels is known, the present invention generates about 5 dB of performance degradation at the 10 -4 bit error rate, In comparison, about 1dB of degradation occurs. However, the amount of operation of the invention is 0 (N) compared to the optimum pre-quantization scheme is the amount of computation when the size of the codebook N 0 (N 2). Compared with the performance of the prior art, which has a similar amount of computation, it can be seen that the ZF receiver and the MMSE receiver have a performance improvement of about 1 dB at the bit error rate.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 6비트 코드북 이용시 비트 에러율을 종래 기술과 비교한 그래프이다.6 is a graph comparing the bit error rate with the prior art when using a 6-bit codebook according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 6비트의 코드북을 이용했을 경우에도, 본 발명의 비트 에러율 성능을 종래기술의 성능과 최적의 전처리 기법, 그리고 최적의 양자화 전처리 기법과 비교하면, 본 발명의 실시예에 따른 전처리 기법은 종래 전처리 기법 보다 우수한 성능을 가진다는 것을 알 수 있다. 모든 채널의 정보를 다 알고 있다고 가정하여 구현이 불가능한 최적의 전처리 기법의 성능과 비교하여 볼때, 본 발명은 10-4비트 에러율에서 약 3dB 정도의 성능 열화가 발생하고 최적의 양자화 전처리 기법과 비교하여 볼때, 약 1dB 정도의 성능 열화가 발생한다. 그리고, 종래 기술의 성능과 비교하여 10-4 비트 에러율에서 ZF 수신기와 MMSE 수신기일 경우 모두 약 2dB 정도의 성능 향상이 발생된다. As shown, even when using a 6-bit codebook, the bit error rate performance of the present invention is compared with the performance of the prior art, the optimal preprocessing technique, and the optimal quantization preprocessing technique. It can be seen that the technique has better performance than the conventional pretreatment technique. Compared to the performance of the optimal preprocessing technique that cannot be implemented assuming that the information of all channels is known, the present invention generates about 3 dB of performance degradation at the 10 -4 bit error rate and compares with the optimal quantization preprocessing technique. As a result, about 1 dB of performance degradation occurs. In addition, in the case of the ZF receiver and the MMSE receiver, a performance improvement of about 2 dB is generated at the 10 -4 bit error rate compared to the performance of the prior art.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 채널 용량을 종래 기술과 비교한 그래프이다.7 is a graph comparing channel capacity according to an embodiment of the present invention with the prior art.
도시된 바와 같이, 채널 용량 선택 기준시, 본 발명의 채널 용량 성능을 종래 기술과 최적의 전처리 기법, 그리고 최적의 양자화 전처리 기법과 비교하면, 최적의 전처리 기법과 비교하여 3비트 코드북 이용시 약 0.9bps/Hz, 6비트 코드북 이용시 약 0.55bps/Hz정도의 성능 열화가 발생하나 최적의 양자화 전처리 기법과 거의 유사한 성능을 보임을 알 수 있다. 낮은 신호대 잡음비 영역에서는 종래기술에 비해 약간의 성능 이득이 있음을 확인할 수 있다. As shown, when comparing the channel capacity performance of the present invention with the prior art, the optimal preprocessing technique, and the optimal quantization preprocessing technique, the channel capacity performance of the present invention is about 0.9bps compared to the optimal preprocessing technique. The performance degradation of about 0.55bps / Hz occurs when using / Hz and 6-bit codebook, but the performance is almost similar to the optimal quantization preprocessing technique. It can be seen that there is a slight performance gain in the low signal-to-noise ratio region compared to the prior art.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 중계 시스템을 나타낸 구성도.1 is a block diagram showing a multiple antenna relay system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 중계 시스템에서 기지국, 중계국 및 단말기의 구성 블록도.2 is a block diagram of a base station, a relay station, and a terminal in a multi-antenna relay system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중계국의 전처리 행렬 전송을 나타낸 순서도.3 is a flow chart illustrating preprocessing matrix transmissions of relay stations in accordance with an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단말기의 전처리 행렬 전송을 나타낸 순서도.4 is a flowchart illustrating a preprocessing matrix transmission of a terminal according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3비트 코드북 이용시 비트 에러율을 종래 기술과 비교한 그래프.5 is a graph comparing bit error rates with prior art when using a 3 bit codebook according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 6비트 코드북 이용시 비트 에러율을 종래 기술과 비교한 그래프.6 is a graph comparing the bit error rate with the prior art when using a 6-bit codebook according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 채널 용량을 종래 기술과 비교한 그래프.7 is a graph comparing channel capacity according to an embodiment of the present invention with the prior art.
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