KR101094442B1 - Adaptive interference alignment method for time-varying multiuser mimo interference channels - Google Patents
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Abstract
본 발명은 효율적으로 간섭 정렬을 하기 위한 빔형성 벡터를 구하는 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 매 순간 빔형성 벡터를 구하는 복잡한 알고리즘을 수행하지 않고도 이전 빔형성 벡터를 구하는 과정에서 구했던 고유치와 고유벡터 그리고 채널 차이만을 이용하여 새로운 빔형성 벡터를 간단히 구하는 방법을 제공하는데 있다.The present invention relates to a method for obtaining a beamforming vector for efficiently performing interference alignment. The technical problem to be solved is to solve the eigenvalues obtained in the process of obtaining a previous beamforming vector without performing a complicated algorithm for obtaining the beamforming vector at each instant. The present invention provides a simple method for obtaining a new beamforming vector using only eigenvectors and channel differences.
이를 위해 본 발명에 따른 간섭 정렬 방법은, 첫 하향링크 채널을 예측한 후에 반복 최소 자승법을 이용하여 빔형성 벡터를 계산하고, 채널 변화가 심하지 않을 때까지는 상기 첫 하향링크 채널을 통해 구한 고유치와 고유벡터 및 수학식 15를 이용하여 새로운 빔형성 벡터를 계산하며, 상기 계산과정을 반복하다가 채널 변화가 심해지는 경우 다시 예측된 채널을 기반으로 새로운 빔형성 벡터를 구하는 것을 특징으로 하는 시변 다중 사용자 다중 안테나 간섭 채널 환경에서의 적응형 간섭 정렬 방법을 개시한다.To this end, the interference alignment method according to the present invention calculates a beamforming vector using an iterative least square method after predicting the first downlink channel, and eigenvalues and eigenvalues obtained through the first downlink channel until the channel change is not severe. The new beamforming vector is calculated by using the vector and Equation 15, and the time-varying multi-user multi-antenna is characterized by obtaining a new beamforming vector based on the predicted channel when the channel change becomes severe after repeating the above calculation process. An adaptive interference alignment method in an interference channel environment is disclosed.
빔형성 벡터, 칼만 필터, 간섭 정렬 방법, 시분할 복신 시스템 Beamforming vector, Kalman filter, interference alignment method, time division duplex system
Description
본 발명은 원하는 신호와 간섭을 서로 다른 신호 공간으로 나누는 간섭 정렬 기술에 있어서, 효율적으로 간섭 정렬을 하기 위한 빔형성 벡터를 구하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for obtaining a beamforming vector for efficiently performing interference alignment in an interference alignment technique for dividing a desired signal and interference into different signal spaces.
셀룰러 통신은 서비스 지역을 작은 지역적 단위인 '셀'로 나누게 되는데, 이러한 '셀'은 한 기지국이 커버하는 영역을 의미한다. 상기 '셀'의 크기는 가입자의 밀도에 따라 변화될 수 있으며 통상 가입자의 밀도가 높아질수록 셀의 크기는 작아진다. In cellular communication, a service area is divided into 'cells', which are small regional units. Such 'cells' mean an area covered by a base station. The size of the 'cell' may be changed according to the density of the subscriber. In general, as the density of the subscriber increases, the size of the cell decreases.
따라서, '셀'들이 중첩되는 영역이 계속 증가하고, 이렇게 중첩된 영역에서는 신호들 사이의 간섭으로 인하여 시스템 성능이 떨어진다. 이와 같은 간섭 영향을 효과적으로 해결하는 방법으로 간섭 정렬 기술이 제안되었다.Therefore, the area in which the 'cells' overlap is continuously increasing, and in this overlapping area, system performance is degraded due to interference between signals. An interference alignment technique has been proposed as an effective solution for such interference effects.
상기 간섭 정렬 기술은 모든 직접 링크와 간섭 링크의 채널을 알고 있다는 가정하에서 전체 공간을 원하는 신호 공간과 간섭 신호 공간으로 나누어서 여러 개의 간섭 신호들은 제한된 간섭 공간에서만 존재하도록 하는 송신 빔형성 기술이다.The interference alignment technique is a transmission beamforming technique in which all interference signals exist in a limited interference space by dividing the entire space into a desired signal space and an interference signal space on the assumption that all direct links and channels of the interference link are known.
만약, 원하는 신호 공간과 간섭 신호 공간이 선형 독립이라면, 간섭 영향이 없이 원하는 신호를 추출할 수 있기 때문에, 원하는 자유도(Degree of Freedom), 다시 말해서, 다중화 이득(Multiplexing Gain)을 얻을 수 있다.If the desired signal space and the interference signal space are linearly independent, the desired signal can be extracted without the influence of interference, so that a desired degree of freedom, that is, a multiplexing gain can be obtained.
한편, 채널이 시간에 따라 변하지 않을 경우에는 초기에 구한 빔형성 벡터를 계속 사용할 수 있지만, 채널이 시간에 따라 변할 경우에는 이와 같은 방식을 사용할 경우 그 성능 저하가 심각하다. On the other hand, when the channel does not change over time, the beamforming vector obtained initially can be used continuously. However, when the channel changes over time, the performance deterioration is severe when such a method is used.
따라서, 매 전송 시간에 따라 변화할 채널을 예측하고 이렇게 예측된 채널에 맞추어 매 순간 새로운 빔형성 벡터를 계산하여야 한다.Therefore, it is necessary to predict a channel to change with each transmission time and to calculate a new beamforming vector at every moment according to the predicted channel.
하지만, 이와 같이 매 순간 새로운 빔형성 벡터를 구하는 것이 복잡하기 때문에 새로운 적응 빔형성 벡터 계산을 위한 방법이 요구되는 실정이다.However, since it is complicated to find a new beamforming vector every moment, a method for calculating a new adaptive beamforming vector is required.
그러나, 현재까지 제안된 간섭 정렬 기술들은 모두 채널 정보가 정확히 알려져 있다는 가정하에서 간섭 정렬을 위한 빔형성 벡터를 계산하는 방법에 대한 것이고, 시변 채널에서 빔형성 벡터를 채널에 적응적으로 계산하는 과정에 대한 연구는 아직 까지 진행되지 않고 있는 실정이다.However, all of the interference alignment techniques proposed to date are related to a method of calculating a beamforming vector for interference alignment under the assumption that channel information is known correctly. The research on the situation is not progressed yet.
물론, 채널이 변하는 순간마다 변한 채널 값들을 기반으로 새롭게 간섭 정렬 빔형성 벡터를 계산하는 방법도 생각해 볼 수 있으나, 이러한 방법은 복잡도가 높아서 비현실적이라는 문제점이 있다.Of course, a method of newly calculating an interference alignment beamforming vector based on channel values changed at every instant of channel change can be considered, but this method has a problem of high complexity and unreality.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 시분할 복신(Time Division Duplex, TDD) 시스템에서 상향 링크의 파일럿을 기반으로 상향 링크의 채널을 추정하고, 이렇게 추정된 채널을 기반으로 상향 링크의 채널을 예측함으로써 간섭 정렬에 이용되는 채널과 실제 송신 신호가 거쳐가는 채널 사이의 차이를 줄여 성능을 향상시키는 간섭 정렬(interference alignment) 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was invented to solve the above problems, and estimates an uplink channel based on an uplink pilot in a time division duplex (TDD) system, and based on the estimated channel, uplink An object of the present invention is to provide an interference alignment method of improving performance by predicting a channel of a link by reducing a difference between a channel used for interference alignment and a channel through which an actual transmission signal passes.
또한, 이렇게 예측된 채널을 이용하여 매 순간 빔 형성 벡터를 구하는 복잡한 알고리즘을 수행하지 않고도 이전 빔형성 벡터를 구하는 과정에서 구했던 고유치와 고유벡터 그리고 채널 차이만을 이용하여 새로운 빔형성 벡터를 간단히 구하는 간섭 정렬 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, the interference alignment simply finds a new beamforming vector using only the eigenvalues, the eigenvectors, and the channel difference obtained in the process of obtaining the previous beamforming vector without performing a complicated algorithm for finding the beamforming vector at each moment using the predicted channel. The purpose is to provide a method.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 간섭 정렬 방법은,첫 하향링크 채널을 예측한 후에 반복 최소 자승법을 이용하여 빔형성 벡터를 계산하고, 채널 변화가 심하지 않을 때까지는 상기 첫 하향링크 채널을 통해 구한 고유치와 고유벡터 및 수학식 15를 이용하여 새로운 빔형성 벡터를 계산하며, 상기 계산과정을 반복하다가 채널 변화가 심해지는 경우 다시 예측된 채널을 기반으로 새 로운 빔형성 벡터를 구할 수 있다.In order to achieve the above object, the interference alignment method according to the present invention calculates a beamforming vector using an iterative least square method after predicting the first downlink channel, and the first downlink until the channel change is not severe. The new beamforming vector is calculated using the eigenvalues, the eigenvectors, and
또한, 단말의 이동 속도를 바탕으로 새로운 빔형성 벡터 주기를 L이라고 할 경우, 알고리즘 1에 따라 빔형성 행렬을 구할 수 있다.In addition, when the new beamforming vector period is L based on the moving speed of the terminal, the beamforming matrix can be obtained according to
또한, 상기 알고리즘 1에서 Aij에 대한 갱신을 매 L단계에서만 수행하는 것과 달리 인 단계에서도 Aij에 대한 갱신을 수행할 수 있다.Also, unlike
또한, 상기 알고리즘 1은 동작 주기의 시작인 n = kL, k=0,1... 시간에서는 초기 와 Hij[n]을 가지고 하기의 수학식 7을 계산하여 v[n]을 구하는 제 1과정과, 상기 제 1과정에서 구한 v[n]과 Hij[n]을 이용하여 하기의 수학식 10을 이용하여 을 다시 갱신하는 과정을 수렴할 때까지 반복 수행하여 최종 를 구하는 제 2과정과, 상기 제 2과정에서 구한 와 현재 시간의 예측 채널 행렬 Hij[n]을 이용하여 을 구성하는 제 3과정과, 을 고유치 분해하여 고유치 와 고유치 벡터 을 구하는 제 4과정과, v[n]=q1으로 결정하여 현재 시간 n=kL에서의 빔형성 벡터로 사용하고, 나머지 고유벡터와 고유치는 다음 주기 전까지(n=kL+1,...,kL+L-1) 빔형성 벡터 계산을 위해서 저장해 두는 제 5과정과, n=kL 단계에서 구해 놓은 벡터들과 및 을 이용하여 n=kL+1,...,kL+L-1 시간에서 반복 계산없이 빔형성 벡터를 구하는 제 6과정을 포함한다. In addition,
또한, 상기와 같은 적응형 간섭 정렬 방법은 시변 다중 사용자 다중 안테나 간섭 채널 환경에서 데이터 송신기에 채용되어 이용될 수 있다.In addition, the adaptive interference alignment method described above may be employed in a data transmitter in a time varying multi-user multi-antenna interference channel environment.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 시변 다중 사용자 다중 안테나 간섭 채널 환경에서의 적응 간섭 정렬 방법에 의하면, 시분할 복신 시스템에서 상향 링크의 파일럿을 기반으로 상향 링크의 채널을 추정하고, 이렇게 추정된 채널을 기반으로 상향 링크의 채널을 예측함으로써 간섭 정렬에 이용되는 채널과 실제 송신 신호가 거쳐가는 채널 사이의 차이를 줄여 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the adaptive interference alignment method in the time-varying multi-user multi-antenna interference channel environment according to the present invention, in the time division multiplexing system, the uplink channel is estimated based on the uplink pilot, and the estimated channel is based on the estimated channel. By predicting the channel of the uplink, it is possible to reduce the difference between the channel used for interference alignment and the channel through which the actual transmission signal passes, thereby improving performance.
또한, 이렇게 예측된 채널을 이용하여 매 순간 빔 형성 벡터를 구하는 복잡한 알고리즘을 수행하지 않고도 이전 빔형성 벡터를 구하는 과정에서 구했던 고유치와 고유벡터 그리고 채널 차이만을 이용하여 새로운 빔형성 벡터를 간단히 구할 수 있는 효과가 있다.In addition, a new beamforming vector can be easily obtained using only the eigenvalues, the eigenvectors, and the channel differences obtained in the process of obtaining the previous beamforming vector without performing a complicated algorithm for finding the beamforming vector at each moment using the predicted channel. It works.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the gist of the present invention.
본 발명은 간섭 정렬 기술을 기반으로 한다. 따라서 도 1과 같은 시스템 구성을 고려한다. 여기서 도 1은 K개의 안테나를 가지는 송신단과 수신단이 존재하는 K-사용자 MIMO 간섭 채널 환경을 나타낸다. 즉, K개의 송신단과 각 송신단에 해당하는 수신단이 존재하고, 각 송신단과 수신단은 N개와 M개의 안테나를 갖는다고 가정한다. 그리고, 무선 채널의 특성상 수신단 k에서 n번째 시간에 수신하는 신호는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The present invention is based on an interference alignment technique. Therefore, consider the system configuration as shown in FIG. 1 illustrates a K-user MIMO interference channel environment in which a transmitter and a receiver having K antennas exist. That is, it is assumed that there are K transmitters and receivers corresponding to each transmitter, and each transmitter and receiver has N and M antennas. In addition, the signal received at the nth time from the receiving end k may be expressed by
여기서, sk[n]과 Vk[n]은 송신단 k가 전송하는 송신 데이터 벡터(d×1)와 빔형성 행렬(N×d)을 나타낸다. 그리고, Hkl[n]과 nk[n]은 송신단 l에서 수신단 k까지의 채널 행렬(M×N)과 잡음 벡터(M×1)을 가리킨다. 그래서 상기 수학식 1의 첫 번째 항은 '원하는 신호'를 두 번째와 세 번째 항은 '간섭'과 '잡음'을 나타낸다.Here, s k [n] and V k [n] represent a transmission data vector (d × 1) and a beamforming matrix (N × d) transmitted by the transmitter k. H kl [n] and n k [n] indicate a channel matrix M × N and a noise vector M × 1 from the transmitter l to the receiver k. Thus, the first term of
한편, 간섭 정렬 기술이란 각 수신단에서 M차원의 신호 공간을 d차원의 신호 부공간과 (M-d)차원의 간섭 부공간으로 나누어 (K-1)개의 간섭 신호들을 모두 (M-d)차원의 공간에 정렬하여 간섭 공간과 선형 독립적인 신호 공간을 확보함으로써 원하는 신호에서 간섭의 영향을 완전히 제거하는 기술을 의미한다.In the meantime, the interference alignment technique divides the M-dimensional signal space into the d-dimensional signal subspace and the (Md) -dimension subspace to align (K-1) interference signals in the (Md) -dimensional space. By means of securing a signal space independent of the interference space means a technique that completely eliminates the influence of the interference in the desired signal.
이렇게 하여 얻을 수 있는 최대 자유도는 이다. 이와 같은 최대 자유도를 얻는 경우는 각 송신단에서 개의 데이터 스트림을 전송하는, 즉 인 경우이다. 이와 같은 경우 간섭 정렬 조건을 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.The maximum degree of freedom in this way is to be. When the maximum degree of freedom is obtained, each transmitting end To send data streams, i.e. If In such a case, the interference alignment condition may be expressed by
여기서 C(A)는 A행렬의 열들이 스팬(span)하는 열공간(column space)을 의미한다. 따라서 상기 수학식 2의 각 행은 각 수신단에서 정렬해야 하는 신호들의 공간을 의미한다. 위 조건에서 첫 번째 행의 첫 등식은 하기의 수학식 3과 같이 다시 나타낼 수 있다.Here, C (A) means a column space in which columns of the matrix A span. Accordingly, each row of
여기서, 는 Vi의 k번째 열을 의미하고, 은 선형 조합 계수이다. 즉, 두 행렬이 스팬(span)하는 열공간이 일치한다는 것은 한 쪽 행렬의 각 열은 다른 쪽 행렬의 선형 조합으로 나타낼 수 있다는 것을 의미한다, 이를 크로네커 곱(Kronecker Product)을 이용하여 다시 정리하면 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.here, Is the kth column of V i , Is a linear combination coefficient. In other words, the coincidence of the column space spanning the two matrices means that each column of one matrix can be represented as a linear combination of the other matrix, which can be rearranged using the Kronecker product. It can be expressed as Equation 4 below.
여기서, Id는 d×d 단위 행렬을 나타내고, 는 두 행렬의 크로네커 곱(Kronecker Product)이다. 그리고, vec(A)은 행렬의 열을 계속 쌓아서 만든 벡터를 의미한다.Where I d represents a d × d unit matrix, Is the Kronecker product of two matrices. And, vec (A) means a vector made by stacking the columns of the matrix.
위의 결과를 바탕으로 Aij들과 Hij들이 주어지면, 상기 수학식 2의 전체 등식을 하기의 수학식 5와 같이 하나의 선형식으로 나타낼 수 있다.Given A ij and H ij based on the above results, the entire equation of
여기서, Aij는 를 k번째 행과 l번째 열로 갖는 선형 조합 계수 행렬이다. 이 때 앞에 있는 행렬을 라고 정의하고 뒤에 있는 벡터를 v로 정의하면 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Where A ij is Is a linear combination coefficient matrix with k th row and l th column. In this case, the matrix If it is defined as and the vector after the v can be expressed as in Equation 6 below.
여기서 행렬의 크기는 이다. 따라서 사용자의 수 및 안테나의 수에 따라서 overdetemined가 될 수 있다. 예를 들어, K≥4이고, M=N인 경우는 overdetermined가 되는 경우이다. 이와 같은 경우에는 상기의 수학식 6을 만족하는 해가 존재하지 않기 때문에 근사해를 찾아야 한다. 그래서 일반적으로 사용하는 최소 자승법(Least Squares, LS)을 이용하여 근사해를 찾는다.here The size of the matrix to be. Therefore, it can be overdetemined depending on the number of users and the number of antennas. For example, K≥4 and M = N is a case where it becomes overdetermined. In this case, since there is no solution that satisfies Equation 6 above, an approximate solution must be found. So we find the approximate solution using the least-squares method (LS) that is commonly used.
상기 수학식 7의 해는 의 가장 작은 고유치에 해당하는 고유벡터이다. 그리고, 이렇게 최적의 을 구한 후에는 이 값을 이용하여 다시 최적은 Aij들을 계산할 수 있다. 우선 A13을 구하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.The solution of Equation 7 is Eigenvectors corresponding to the smallest eigenvalues of. And so optimal After obtaining, we can use this value to calculate optimal A ij again. First, the process of obtaining A 13 is as follows.
우선, 상기 수학식 3을 하기의 수학식 8과 같이 다시 정리할 수 있다.First,
여기서, Hij[n]과 v[n]가 주어지면 상기 A13은 하기의 수학식 9과 같이 구할 수 있다.Here, when H ij [n] and v [n] are given, A 13 can be obtained as shown in Equation 9 below.
이와 같은 방식으로 Aij를 구한 식을 정리하면 하기의 수학식 10과 같다.The equation for obtaining A ij in this manner is summarized as in
따라서, 이와 같이 상기 수학식 7을 이용하여 v[n]를 구하는 과정과 상기 수학식 10을 이용하여 Aij를 구하는 과정을 수렴할 때까지 반복할 경우, 최종 간섭 정렬 빔형성 벡터 v[n]을 구할 수 있다.Accordingly, when it is repeated until the process of obtaining v [n] using Equation 7 and the process of obtaining A ij using
한편, 채널 Hij[n]들이 시간 n에 상관없이 항상 같다면, 상술한 바와 같은 과정을 한번 수행하여 구한 빔형성 벡터를 계속 사용할 수 있다. 하지만, 채널이 변하는 경우 빔형성 벡터 계산에 사용된 채널과 실제 채널 사이에 차이가 있어서 간섭 정렬이 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다. 따라서 시변 채널에서는 이와 같은 채널 차이를 최소화하기 위해서 채널 예측 과정이 필요하다.On the other hand, if the channels H ij [n] are always the same regardless of the time n, the beamforming vector obtained by performing the above-described process once can be used. However, when the channel is changed, there is a difference between the channel used for calculating the beamforming vector and the actual channel, thereby preventing interference alignment from being properly performed. Therefore, in the time-varying channel, a channel prediction process is required to minimize such channel difference.
만약, 시분할 복신(TDD, Time Division Duplex) 시스템에서 전체 프레임 구조가 도 2와 같이 주어진다고 가정하면, 무선 채널의 특성상 상향 링크의 채널과 하향 링크의 채널이 같다고 할 수 있다. 따라서 상향 링크에서 추정한 채널을 하향 링크의 채널로 간주할 수 있으며, 상향 링크 구간에는 파일럿 심볼이 존재하므로 채널을 추정할 수 있게 된다. 또한, 채널이 AR 모델(AutoRegressive model)과 같이 동작한다는 가정 하에서 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하여 최적의 채널 추정치를 얻을 수 있다.If the entire frame structure is given as shown in FIG. 2 in a time division duplex (TDD) system, the uplink channel and the downlink channel may be the same. Therefore, the channel estimated by the uplink can be regarded as the channel of the downlink, and since the pilot symbol exists in the uplink period, the channel can be estimated. In addition, an optimal channel estimate may be obtained using a Kalman filter under the assumption that the channel operates like the AR model (AutoRegressive model).
그러나, 하향 링크 구간의 경우에는 송신 구간이기 때문에 수신 파일럿이 존재하지 않는다. 따라서 이전 상향 링크 채널을 기반으로 채널 예측을 수행해야 하며, 이와 같은 과정을 그래프 모델의 형태로 표현하면 도 3에 도시된 바와 같다.However, in the downlink period, there is no reception pilot since it is a transmission period. Therefore, channel prediction must be performed based on a previous uplink channel, and this process is represented in the form of a graph model as shown in FIG. 3.
여기서, 채널 추정 및 예측 과정은 송수신단 인수나 안테나 인수에 관계없이 동일하기 때문에 모든 인수를 생략한다. 따라서 채널을 m차 AR 프로세스 (AutoRegressive process)로 모델링할 경우 하기의 수학식 11과 같이 표현할 수 있다.Since the channel estimation and prediction process is the same regardless of the transmit / receive end factor or antenna factor, all the factors are omitted. Therefore, when the channel is modeled as the m-th order AR process (AutoRegressive process) can be expressed as shown in Equation 11 below.
여기서, 계수 β[p]와 가우시안 잡음(Gaussian Noise) u[n]의 분산은 Yule-Walker 식을 통하여 구할 수 있다. 이를 이용하여 상향 링크 구간에는 채널과 수신 파일럿이 하기의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.Here, the variance of the coefficient β [p] and Gaussian Noise u [n] can be obtained through the Yule-Walker equation. Using this, the channel and the reception pilot may be represented in Equation 12 below in the uplink period.
여기서 n 번째 채널부터 n - m + 1 번째 시간의 채널로 구성한 채널 벡터를 라 하고, 이 때 프로세스 잡음 벡터를 라 정의한다. 여기서 z[n]은 수신 파일럿 신호를 나타낸다. 따라서 이고, w[n] 파일럿 수신 과정의 잡음 즉 측정 잡음(measurement noise)이다. Where a channel vector consisting of channels from nth to n-m + 1st time Where the process noise vector It is defined as Where z [n] represents the received pilot signal. therefore W [n] is the noise of the pilot reception process, that is, measurement noise.
이와 같이 스테이트-스페이스 모델(state-space model)이 주어져 있을 경우 칼만 필터(Kalman Filter)는 하기의 수학식 13과 같이 주어진다.In this way, when a state-space model is given, the Kalman filter is given by Equation 13 below.
여기서, 초기 조건은 과 과 같이 주어지고, k와 는 칼만 이득(Kalman Gain)과 평균 자승 오류(Mean Square Error) 행렬이다. Where the initial condition is and Is given by k and Is the Kalman Gain and Mean Square Error matrix.
과 는 각각 프로세스 잡음과 측정 잡음의 분산을 나타낸다. 이와 같은 과정을 까지 수행한다. 그리고 상향 링크 구간의 채널 예측은 하기의 수학식 14와 같이 표현할 수 있다. and Denotes the variance of process noise and measurement noise, respectively. This process Do until. And the channel prediction of the uplink interval can be expressed as shown in Equation 14 below.
여기서, 이다.here, to be.
한편, 상술한 바와 같은 방식으로 예측한 채널 (Hij[n])을 이용하여 매 순간마다 새롭게 v[n]을 계산할 수도 있지만, 이러한 계산 과정은 반복 수행 연산들이기 때문에 복잡도가 높고, 원하는 시간 동안에 해를 구할 수 없는 경우가 생길 수도 있다. 따라서, 본 발명에서는 이와 같은 과정을 간단히 하는 적응형 간섭 정렬 방법을 제안한다.On the other hand, v [n] may be newly calculated at every moment by using the channel H ij [n] predicted in the above-described manner. However, since this calculation process is an iterative operation, the complexity is high, and during the desired time, Sometimes solutions may not be available. Therefore, the present invention proposes an adaptive interference alignment method that simplifies this process.
채널 변화가 빠르지 않은 경우에는 Hij[n]을 이용해서 구한 빔형성 벡터 v[n]은 Hij[n-1]을 이용하여 구한 빔형성 벡터 v[n-1]에 를 더하는 형태가 될 수 있다. 즉, 이전 빔형성 벡터에서 채널 변화량에 따른 빔형성 벡터 변화량을 더한 구조가 될 수 있다. Hij[n-1]와 Aij[n-1]가 주어진 상황에서 v[n]는 의 최소 고유치에 해당하는 고유벡터이다. 그리고, Hij[n]와 Aij[n]가 주어진 상황에서 v[n]는 의 최소 고유치에 해당하는 고유벡터이다. 이를 바탕으로 하기의 수학식 15와 같은 관계를 찾을 수 있다.When a channel change is not fast beamforming obtained using the H ij [n] vector v [n] is calculated by using the beamforming H ij [n-1] vector v [n-1] It can be in the form of adding. That is, the structure may be obtained by adding the beamforming vector change amount according to the channel change amount in the previous beamforming vector. Given H ij [n-1] and A ij [n-1], v [n] is Eigenvectors corresponding to the minimum eigenvalues of. And, given H ij [n] and A ij [n], v [n] is Eigenvectors corresponding to the minimum eigenvalues of. Based on this, the relationship as shown in
여기서, 이고,here, ego,
과, 는 의 오름차순으로 정렬된 고유치와 그에 해당하는 고유벡터들이다. and, Is Eigenvalues arranged in ascending order of and corresponding eigenvectors.
다시 말해서, 이전 시간 채널로 구성한 행렬 의 고유치와 고유벡터 그리고 채널 차이 만 주어지면 새로운 채널에 해당하는 빔형성 벡터 v[n]을 구할 수 있다. 이와 같은 관계를 이용하여 시변 채널 환경에 적합한 적응형 간섭 정렬 알고리즘을 만들 수 있다.In other words, a matrix of previous time channels Eigenvalues, Eigenvectors, and Channel Differences of If only given, the beamforming vector v [n] corresponding to the new channel can be obtained. This relationship can be used to create an adaptive interference alignment algorithm suitable for time-varying channel environments.
먼저, 첫 하향링크 채널을 예측한 후에 기존의 반복 최소 자승법을 이용하여 빔형성 벡터를 계산하고, 채널 변화가 심하지 않은 때까지는 첫 하향 링크 채널로 구한 고유치와 고유벡터를 이용하여 상기 수학식 15와 같은 방식으로 새로운 빔형성 벡터를 구한다. 다음으로 이와 같은 과정을 반복하다가 채널 변화가 심해질 경우에는 다시 예측된 채널을 기반으로 새롭게 빔형성 벡터를 구하는 것이다. 단말의 이동 속도를 바탕으로 새로운 빔형성 벡터 주기를 L이라고 할 경우, 상술한 바와 같은 방식을 정리하면 하기의 알고리즘 1과 같다.First, after predicting the first downlink channel, the beamforming vector is calculated by using the existing iterative least square method, and until the channel change is not severe, the
[알고리즘 1]
- -
- 예측된 Hij[n]과 를 이용하여 를 구성하고 v[n]과 를 구하는 과정을 수렴할 때까지 반복 수행하면서 최종 를 구한다.The predicted H ij [n] and Using Configure v [n] and Iterate over the convergence process to find the final .
- 예측된 Hij[n]과 위에서 결정된 를 이용하여 을 구성한다.The predicted H ij [n] and determined above Using Configure
- 을 고유치 분해하여 와 을 구한다.- Eigenvalue decomposition Wow .
- v[n]=q1으로 하고 v[n]을 재구성하여 각 송신단의 빔형성 행렬 vi[n]을 구한다.Reconstruct v [n] with v [n] = q 1 to obtain the beamforming matrix v i [n] for each transmitter.
- for n = kL+1,...,(i+1)L-1for n = kL + 1, ..., (i + 1) L-1
- 예측된 Hij[n]과 위에서 결정된 를 이용하여 을 구성하고, GiL[n]을 계산한다.The predicted H ij [n] and determined above Using And calculate G iL [n].
- 하기의 수학식 16을 이용하여 v[n]을 구한다.-V [n] is obtained by using Equation 16 below.
- v[n]=q1으로 하고 v[n]을 재구성하여 각 송신단의 빔형성 행렬 Vi[n]을 구한다.Reconstruct v [n] with v [n] = q 1 to obtain the beamforming matrix V i [n] for each transmitter.
상기 알고리즘 1에서는 Aij에 대한 갱신을 매 L단계에서만 수행하였지만, 복잡도가 허용된다면, 인 단계에서 수행할 수도 있다.In
이하에서는 상기 알고리즘 1을 보다 자세하게 설명한다.Hereinafter, the
먼저, 시간이 n = 0, 1, 2, 3, ..., L, L+1,..., 2L, 2L+1,..., 3L,..., 과 같이 흘러가고, 각 시간에 해당하는 MIMO 채널 행렬 Hij[n]을 예측하였다고 한다. 즉, Hij[n], n = 0, 1, 2, 3,..., L, L+1,... 2L, 2L+1,..., 3L,..., 이 주어진 상황에서 각 시간 n에 해당하는 빔형성 벡터를 구하는 것이 본 발명의 목적이다. First, time goes by n = 0, 1, 2, 3, ..., L, L + 1, ..., 2L, 2L + 1, ..., 3L, ..., It is assumed that the MIMO channel matrix H ij [n] corresponding to time is predicted. That is, given H ij [n], n = 0, 1, 2, 3, ..., L, L + 1, ... 2L, 2L + 1, ..., 3L, ..., It is an object of the present invention to obtain a beamforming vector corresponding to each time n in.
이를 위해서 채널 변화 속도에 따라서 알고리즘 주기를 나타내는 L을 결정한 다. 즉, 채널 변화가 빠르면 L을 작게 하여 채널 변화에 따른 성능 저하를 방지하고, 반대의 경우에는 L을 크게 하여 알고리즘의 복잡도를 낮춘다. 그래서 알고리즘 동작 주기의 시작인 n = kL, k=0,1... 시간에서는 초기 와 Hij[n]을 가지고 상기 수학식 7을 풀어서 v[n]을 구하고(제 1과정) 이렇게 구한 v[n]과 Hij[n]을 가지고 수학식 10을 이용하여 을 다시 갱신하는 과정을 수렴할 때까지 반복 수행하여 최종 을 구한다(제 2과정). 이렇게 구한 와 현재 시간의 예측 채널 행렬 Hij[n]을 이용하여 아래와 같이 정의되는 을 구성한다(제 3과정).To this end, L, which represents the algorithm period, is determined according to the channel change rate. In other words, if the channel change is fast, L is reduced to prevent performance degradation due to channel change, and in the opposite case, L is increased to reduce the complexity of the algorithm. So at time n = kL, k = 0,1 ..., the beginning of the algorithm's operating cycle, And H ij [n] to solve the above equation (7) to obtain v [n] (step 1) and using the obtained v [n] and H ij [n] using equation (10) To repeat the process of renewing (Step 2). So obtained And using the prediction channel matrix H ij [n] of the current time (Step 3).
그리고 을 고유치 분해 하여 고유치 와 고유치 벡터 을 구한다(제 4과정). 그래서 v[n]=q1으로 결정하여 현재 시간 n=kL에서의 빔형성 벡터로 사용하고, 나머지 고유벡터와 고유치는 다음 주기 전까지, 즉 n=kL+1,...,kL+L-1, 빔형성 벡터 계산을 위해 저장해 둔다(제 5과정).And Eigenvalues And eigenvalue vectors (Step 4). Therefore, we determine v [n] = q 1 and use it as the beamforming vector at the current time n = kL, and the remaining eigenvectors and eigenvalues are before the next period, that is, n = kL + 1, ..., kL + L- 1, it is stored for the calculation of the beamforming vector (step 5).
이렇게 n=kL 단계에서 구해 놓은 벡터들과 및 을 이용하여 n=kL+1,...,kL+L-1 시간에서 빔형성 벡터를 반복 계산(iteration)없이 간단하게 구할 수 있다(제 6과정).This is obtained from the step n = kL With vectors And The beamforming vector can be obtained simply without iteration at time n = kL + 1, ..., kL + L-1 using step 6 (step 6).
제안된 방법의 성능을 살펴보기 위해서 다음과 같은 환경에서 컴퓨터 모의 실험을 수행하였다. 우선 3개의 송신단과 수신단이 있다고 가정하고, 상기 송신단에는 4개의 안테나, 수신단에는 2개의 안테나가 있다고 가정하였다. 일반적으로 송신단이 기지국이고 수신단이 단말이기 때문에 이와 같은 안테나 구성이 타당하다. 그리고 반송파 주파수는 2.3 GHz, 심볼 주기는 115.2μs로 설정하였다. 한 프레임은 각각 25 심벌로 이루어진 상향 링크 구간과 하향 링크 구간으로 구성된다. 그리고 시변 채널은 2차 AR 모델로 모델링 하였다.In order to show the performance of the proposed method, computer simulations are performed in the following environments. First, it is assumed that there are three transmitters and a receiver, and that the transmitter has four antennas and the receiver has two antennas. In general, such an antenna configuration is appropriate because the transmitting end is the base station and the receiving end is the terminal. The carrier frequency is set to 2.3 GHz and the symbol period is set to 115.2 μs. One frame consists of an uplink period and a downlink period each consisting of 25 symbols. And the time-varying channel was modeled by the 2nd AR model.
이와 같은 환경에서 단말의 이동속도 1km/h에서 10km/h 까지 변할 경우, 시변 채널을 고려하지 않고 상향 링크의 마지막 심벌에서 추정한 채널로 빔형성 벡터를 계산하고 이를 모든 하향 링크에 적용하는 경우에는 이동 속도가 증가할수록 채널 차이가 점점 커져서 성능 저하가 심해지며 이는 도 4에 도시된 그래프를 통해 확인할 수 있다. 따라서 이동 속도가 10km/h만 되어도 쓰루풋(throughput) 합이 50%까지도 줄어들 수 있다. In this environment, when the moving speed of the terminal is changed from 1 km / h to 10 km / h, the beamforming vector is calculated using the channel estimated from the last symbol of the uplink without considering the time-varying channel and applied to all the downlinks. As the moving speed increases, the channel difference becomes larger and worsens the performance. This can be confirmed through the graph shown in FIG. 4. Therefore, even if the moving speed is only 10km / h, the throughput sum can be reduced by 50%.
하지만 본 발명에 따른 방법과 같이 하향 링크의 채널을 예측하고, 예측된 채널을 이용하여 빔형성 벡터를 결정할 경우의 성능은 도 5에 도시된 그래프에서 확인할 수 있다. 그림에서 'direct'는 예측된 채널을 이용하여 계속 새롭게 빔형성 벡터를 계산하는 경우이고, 'adaptive'의 경우는 제안된 알고리즘에서 L = nd = 25로 설정한 경우의 성능이다. 우선 'direct' 방식과 'adaptive' 방식 사이의 성능 차이는 무시할 수 있을 정도로 작다는 것을 알 수 있고, 채널 예측의 성능도 5km/h의 이동 속도 까지는 성능 저하가 거의 없지만, 10km/h가 되면서 약간의 성능 저하가 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 성능 저하는 nd를 줄이는 형태로 극복이 가능하다.However, the performance of predicting a downlink channel and determining a beamforming vector using the predicted channel, as in the method of the present invention, can be seen in the graph shown in FIG. 5. In the figure, 'direct' is a case of continuously calculating the beamforming vector using the predicted channel, and 'adaptive' is L = n d in the proposed algorithm. Performance when set to = 25. First, we can see that the performance difference between the 'direct' and 'adaptive' methods is negligibly small, and the performance of the channel prediction is almost undegraded up to 5 km / h of travel speed. It can be seen that there is a decrease in performance. This degradation can be overcome by reducing n d .
이상과 같이 본 발명에 따른 시변 다중 사용자 다중 안테나 간섭 채널 환경에서의 적응형 간섭 정렬 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.As described above with reference to the drawings illustrating an adaptive interference alignment method in a time-varying multi-user multi-antenna interference channel environment according to the present invention, the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed herein. Of course, various modifications may be made by those skilled in the art within the technical scope of the present invention.
도 1은 K개의 안테나를 가지는 송신단과 수신단이 존재하는 K-사용자 MIMO 간섭 채널 환경을 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a K-user MIMO interference channel environment in which a transmitter and a receiver having K antennas exist.
도 2는 본 발명에서 가정하고 있는 TDD 시스템의 프레임 구조를 나타낸 도이다.2 is a diagram illustrating a frame structure of a TDD system assumed in the present invention.
도 3은 칼만 필터를 기반으로 상향 링크 구간에서 채널 추정하는 과정과 하향 링크에서 채널 예측하는 과정을 나타내는 도이다.3 is a diagram illustrating a channel estimation process in an uplink period and a channel prediction process in a downlink based on a Kalman filter.
도 4는 사용자가 3명이고, 송신 안테나 수가 4개이며, 수신 안테나 수가 2개일 때 이동 속도에 따른 성능 저하를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing performance degradation according to a moving speed when three users are used, the number of transmitting antennas is four, and the number of receiving antennas is two.
도 5는 본 발명에서 제안된 방식과 같이 채널 예측 결과를 이용하여 간섭 정렬을 위한 빔형성 벡터를 매 순간 변화 시켰을 경우의 데이터 전송률 합의 성능을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the performance of data rate sum when the beamforming vector for interference alignment is changed at every moment using the channel prediction result as in the method proposed in the present invention.
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KR1020090108145A KR101094442B1 (en) | 2009-11-10 | 2009-11-10 | Adaptive interference alignment method for time-varying multiuser mimo interference channels |
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Cited By (1)
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KR20150134520A (en) | 2014-05-21 | 2015-12-02 | 한국전자통신연구원 | Apparatus for processing transmission/reception signal for interference alignment in a mu-mimo interference broadcasting channel and method thereof |
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2009
- 2009-11-10 KR KR1020090108145A patent/KR101094442B1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
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"다중 사용자 간섭 채널들에서 간섭 정렬에 대한 방법" in Proc. of SPAWC 2009, Perugia, Italy, 2009. 06 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20150134520A (en) | 2014-05-21 | 2015-12-02 | 한국전자통신연구원 | Apparatus for processing transmission/reception signal for interference alignment in a mu-mimo interference broadcasting channel and method thereof |
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