KR102169683B1 - Efficient precoding apparatus for downlink massive MIMO System and method thereof - Google Patents

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KR102169683B1
KR102169683B1 KR1020190101825A KR20190101825A KR102169683B1 KR 102169683 B1 KR102169683 B1 KR 102169683B1 KR 1020190101825 A KR1020190101825 A KR 1020190101825A KR 20190101825 A KR20190101825 A KR 20190101825A KR 102169683 B1 KR102169683 B1 KR 102169683B1
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diagonal
precoding
mimo system
column
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KR1020190101825A
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Inventor
송형규
노재현
이운상
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세종대학교 산학협력단
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    • H04B7/0452Multi-user MIMO systems

Abstract

The present invention relates to an efficient precoding device for a downlink massive MIMO system to increase an error correction function more than an existing diagonal Neumann series (DNS) precoding method and a method thereof. According to the present invention, the precoding device comprises: a matrix generation unit calculating a Z matric (Z = G·G^H) based on a channel matrix (G) between a base station and a plurality of users; a comparison unit comparing the number (V) of diagonal dominant rows with the number (N_u) of users; a control unit selecting only one row component from the Z matrix based on a comparison result or selecting the set number (k, 1 < k < N_u) of row components; an inverse matrix generation unit calculating Z^(-1); and a precoding matrix generation unit multiplying the calculated Z^(-1) by G^H to generate a precoding matrix.

Description

하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 효율적 프리코딩 장치 및 그 방법{Efficient precoding apparatus for downlink massive MIMO System and method thereof}Efficient precoding apparatus for downlink massive MIMO system and method thereof

본 발명은 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 효율적 프리코딩 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하향링크 대용량 MIMO 시스템에서 오류 성능을 향상시키기 위한 효율적 프리코딩 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an efficient precoding apparatus and method for a downlink large-capacity MIMO system, and more particularly, to an efficient precoding apparatus and method for improving error performance in a downlink large-capacity MIMO system.

다중 사용자 기반의 하향링크 대용량 MIMO 시스템은 신호 송신 이전에 MUI(Multi-User Interference)를 제거하기 위해 신호 전처리 즉, 프리코딩(precoding)을 수행한다. 대용량 MIMO 시스템은 기지국에서 무수히 많은 안테나를 이용하여, 선형 ZF(Zero-Forcing) 만으로도 MUI를 제거하고, 높은 빔포밍 이득을 생성하여 최적의 오류 성능을 얻을 수 있다. The multi-user-based downlink large-capacity MIMO system performs signal preprocessing, that is, precoding, to remove multi-user interference (MUI) before signal transmission. In a large-capacity MIMO system, a base station can use a myriad of antennas, remove MUI with only linear zero-forcing (ZF), and generate high beamforming gain to obtain optimal error performance.

하지만, 대용량 MIMO의 특성상 많은 유저 수를 수용하므로 프리코딩 기법인 ZF의 복잡도가 매우 높으며, 이를 해결하기 위해 NS(Neumann Series) 기반의 근사화된 ZF가 개발되었다. NS 기반의 여러 ZF 중, DNS(Diagonal NS)는 gram 행렬의 대각 지배적인 특성을 활용하여, ZF보다 매우 낮은 복잡도를 지니면서 높은 오류 성능을 얻을 수 있다. However, due to the nature of large-capacity MIMO, since it accommodates a large number of users, the complexity of the precoding technique, ZF, is very high, and an approximated ZF based on NS (Neumann Series) was developed to solve this problem. Among many NS-based ZFs, DNS (Diagonal NS) utilizes the diagonally dominant characteristics of the gram matrix, and thus has a much lower complexity than ZF and can obtain high error performance.

그러나 유저 수가 증가할수록 즉, 송신 안테나 개수 대비 유저 수의 비율이 높아질수록 대용량 MIMO의 특성 중 하나인 대수의 법칙이 성립하지 않아 채널 간 상관도가 높아진다. 이로 인해 gram 행렬의 대각 지배적인 특성이 사라져 DNS의 오류 성능이 급격히 저하된다. 특히 사용된 변조 차수가 증가할수록 성능 열화는 더욱 심하며, 가장 심각한 문제점은 기지국 송신 전력과 NS의 길이를 증가시켜도 이를 해결할 수 없다는 것이다.However, as the number of users increases, that is, as the ratio of the number of users to the number of transmit antennas increases, the law of logarithm, which is one of the characteristics of large-capacity MIMO, does not hold, and the correlation between channels increases. Due to this, the diagonal dominant characteristic of the gram matrix disappears, and the error performance of DNS is rapidly degraded. In particular, as the number of modulation orders used increases, the performance deterioration is more severe, and the most serious problem is that it cannot be solved even by increasing the base station transmission power and the length of NS.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2008-0083808호(2008.09.19 공개)에 개시되어 있다.The technology behind the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 2008-0083808 (published on September 19, 2008).

본 발명은 채널 간 상관도가 높은 대용량 MIMO 시스템에서도 DNS의 오류 성능을 개선할 수 있으며 효율적 프리코딩을 위해 유저들의 대각 지배성에 따라 적응적으로 프리코딩을 수행할 수 있는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 효율적 프리코딩 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention is for a downlink large-capacity MIMO system capable of adaptively performing precoding according to the diagonal dominance of users for efficient precoding and improving the error performance of DNS even in a large-capacity MIMO system with high correlation between channels. An object of the present invention is to provide an efficient precoding apparatus and method.

본 발명은, 대용량 MIMO 시스템에서 기지국에 적용되는 프리코딩 장치에 있어서, 상기 기지국과 복수의 유저 사이의 채널 행렬(G)을 기초로 Z 행렬(Z=G·GH)을 연산하는 행렬 생성부와, 상기 Z 행렬에서 대각 지배적인 행의 개수(V; 0≤V≤Nu)를 구하고 상기 대각 지배적인 행의 개수(V)를 상기 유저의 개수(Nu)와 비교하는 비교부와, 비교 결과를 기초로 상기 Z 행렬 내에서 1개의 열 성분만 선택하거나, 설정 개수(k개; 1<k<Nu)의 열 성분을 선택하는 제어부와, 상기 Z 행렬에서 대각 성분만을 취한 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 NS(Neumann Series)의 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, 상기 Φ 행렬을 NS 기반의 Z-1의 근사식에 대입하여 Z-1을 계산하는 역행렬 생성부, 및 상기 연산된 Z-1에 GH를 곱하여 프리코딩 행렬을 생성하는 프리코딩 행렬 생성부를 포함하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치를 제공한다.The present invention, in a precoding apparatus applied to a base station in a large-capacity MIMO system, a matrix generator that calculates a Z matrix (Z=G·G H ) based on a channel matrix (G) between the base station and a plurality of users. And, a comparison unit that calculates the number of diagonally dominant rows (V; 0≤V≤N u ) in the Z matrix and compares the number of diagonally dominant rows (V) with the number of users (N u ), A control unit that selects only one column component in the Z matrix or a set number (k; 1<k<N u ) of column components based on the comparison result, and a diagonal matrix that takes only diagonal components from the Z matrix. An inverse matrix generator that combines the selected column components to (D) to obtain a Φ matrix, which is an initial matrix of NS (Neumann Series), and calculates Z -1 by substituting the Φ matrix into an approximate formula of NS-based Z -1 And a precoding matrix generator for generating a precoding matrix by multiplying the calculated Z −1 by G H. A precoding apparatus for a downlink high-capacity MIMO system is provided.

또한, 상기 Z-1을 계산하기 위한 NS 기반의 Z-1의 근사식과 그 수렴 조건은 아래 수학식으로 정의될 수 있다.In addition, the approximate expression and the convergence condition of the NS-based Z -1 for computing the Z -1 can be defined by the equation below.

Figure 112019085487297-pat00001
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Figure 112019085487297-pat00002
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여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬, Oi는 i×i 영행렬을 나타낸다.Here, L is the length of LS, I i is an i×i identity matrix, and O i is an i×i zero matrix.

또한, 상기 역행렬 생성부는, 상기 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 상기 Φ 행렬을 구한 후 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음, 상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산할 수 있다.Further, the inverse matrix generation unit, wherein the diagonal matrix (D) after the operation of the inverse matrix Φ -1 is obtained by combining the selected heat elements to the matrix Φ in the following, the value Φ -1 multiplied by the Z (Φ - a 1 · Z) may be substituted for the term of the approximate equation of the Z -1 calculate the Z -1.

또한, 상기 제어부는, 상기 열 성분의 선택 시에, 상기 Z 행렬 내의 각 열 중에서 전력이 높은 순서로 선택할 수 있다.In addition, when selecting the column component, the control unit may select each column in the Z matrix in order of high power.

또한, 상기 제어부는, 상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수와 동일한 경우(V=Nu), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 최대 전력을 가지는 1개의 열 성분을 선택하는 DCNS(Diagonal plus Column NS)-1 기법을 적용하고, 상기 대각 지배적인 행의 개수가 0개인 경우(V=0), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 전력 크기가 높은 순으로 k개의 열 성분을 선택하는 DCNS-k 기법을 적용할 수 있다.In addition, when the number of diagonally dominant rows is the same as the number of users (V=N u ), the control unit is 1 having the maximum power among each column in a state in which all the diagonal components in the Z matrix are treated as 0. When the DCNS (Diagonal plus Column NS)-1 technique for selecting two column components is applied and the number of diagonally dominant rows is 0 (V=0), all of the diagonal components in the Z matrix are treated as 0 The DCNS-k technique can be applied to select the k number of heat components in the order of the highest power size among each column.

또한, 상기 역행렬 생성부는, 상기 V=Nu인 경우, 상기 선택된 1개의 열 성분을 상기 대각 행렬(D)에 결합하여 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, Φ 행렬을 다시 대각 행렬(D)과 atomic 행렬로 분리한 결과를 이용하여 Φ의 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음, 상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산할 수 있다.In addition, the inverse matrix generator, when V = N u , combines the selected one column component to the diagonal matrix (D) to obtain an initial matrix Φ matrix, and then converts the Φ matrix back to the diagonal matrix (D) and atomic Calculate Φ -1 , which is the inverse matrix of Φ, using the result of separating it into a matrix, and then multiply the Φ -1 by the Z (Φ -1 ·Z) and substitute it in the corresponding term of the approximation formula of Z -1 . Thus, Z -1 can be calculated.

또한, 상기 역행렬 생성부는, 상기 V=O인 경우, 상기 k개 열 성분들 중 j번째(j={1,…,k)) 선택된 열 성분과 상기 대각 행렬(D)을 셔먼 모리슨(Sherman Morrison) 공식에 적용하는 연산 동작을 j=1 부터 k까지 k회 반복하여, 초기 행렬인 Φk 행렬에 대한 역행렬 (Φk)-1을 연산한 다음, 상기 (Φk)-1를 상기 Z와 곱한 값((Φk)-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산할 수 있다.In addition, when V=O, the inverse matrix generator may convert the j-th (j=(1,...,k)) selected column component among the k column components and the diagonal matrix D to Sherman Morrison (Sherman Morrison). ) The operation applied to the formula is repeated k times from j=1 to k, calculates the inverse matrix (Φ k ) -1 for the initial matrix Φ k , and then converts the (Φ k ) -1 to Z and Z -1 can be calculated by substituting the multiplied value ((Φ k ) -1 ·Z) into the corresponding term of the approximation of Z -1 .

또한, 상기 제어부는, 상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수보다 작고 0보다 큰 경우(0<V<Nu), 상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적인 V개 행에 대응하여 DCNS-1 기법을 적용하고 상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적이지 않은 나머지 U개 행에 대해 DCNS-U 기법(k=U)을 적용하는 하이브리드 기법을 선택할 수 있다.In addition, when the number of diagonally dominant rows is smaller than the number of users and greater than 0 (0<V<N u ), the control unit is DCNS-1 in response to the diagonally dominant V rows in the Z matrix. It is possible to select a hybrid technique that applies the technique and applies the DCNS-U technique (k=U) to the remaining U rows that are not diagonally dominant in the Z matrix.

또한, 상기 역행렬 생성부는, 상기 0<V<Nu인 경우, 상기 Z 행렬 내 각 행에 대해 대각 지배성 크기를 연산하여 대각 지배성 크기가 높은 순으로 G 행렬의 행들을 재정렬하고, 재정렬된 GS를 이용하여 ZS 행렬(ZS=GS·GS H)을 연산하고, 상기 ZS 행렬을 상기 V값을 기초로 4개 영역으로 분할하여, 좌상단부터 좌하단까지 시계방향으로 V×V의 D1 행렬, V×U의 E1 행렬, U×U의 D2 행렬 및 U×V의 D2 행렬을 분리한 다음, 상기 D1 행렬에 DCNS-1 기법을 적용하여 (D1)-1 행렬을 얻고, D2 행렬에 DCNS-U 기법을 적용하여 상기 (D2)-1 행렬을 얻은 후, 상기 (D1)-1, (D2)-1, E1 및 E2 행렬을 아래 수학식에 대입하여 ZS의 역행렬인 ZS -1을 계산할 수 있다.In addition, the inverse matrix generator, when 0<V<N u , calculates a diagonal dominance size for each row in the Z matrix, rearranges the rows of the G matrix in the order of the highest diagonal dominance size, and rearranges Z S matrix using a G S by calculating the (Z S = G S · G S H) , and divided into four areas: the Z S matrix based on the V value, in a clockwise direction from upper left to lower left V separating the D 1 matrix, E 1 matrix of V × U, D 2 matrix and D 2 matrix of U × V of U × U of × V with any of the following, DCNS-1 scheme to the D 1 matrix (D 1 ) to obtain a matrix, -1, and then to apply the technique to DCNS-U D 2 matrix obtained for the (D 2) -1 matrix, the (D 1) -1, (D 2) -1, E 1 and E 2 substituting the matrix equation below, it is possible to calculate the inverse matrix of the Z S Z S -1.

Figure 112019085487297-pat00003
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여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬을 나타낸다.Here, L is the length of LS, and I i is an i×i identity matrix.

또한, 상기 ZS -1의 계산을 위해 수학식에 포함된 Φ 행렬의 4개 영역에 대응하여 각각 상기 D1 행렬, 영행렬, 상기 D2 행렬, 영행렬이 할당될 수 있다.In addition, for the calculation of Z S -1 , the D 1 matrix, the zero matrix, the D 2 matrix, and the zero matrix may be allocated respectively to four regions of the Φ matrix included in the equation.

그리고, 본 발명은, 대용량 MIMO 시스템 내 기지국에서 수행하는 프리코딩 방법에 있어서, 상기 기지국과 복수의 유저 사이의 채널 행렬(G)을 기초로 Z 행렬(Z=G·GH)을 연산하는 단계와, 상기 Z 행렬에서 대각 지배적인 행의 개수(V; 0≤V≤Nu)를 구하고 상기 대각 지배적인 행의 개수(V)를 상기 유저의 개수(Nu)와 비교하는 단계와, 비교 결과를 기초로 상기 Z 행렬 내에서 1개의 열 성분만 선택하거나, 설정 개수(k개; 1<k<Nu)의 열 성분을 선택하는 단계와, 상기 Z 행렬에서 대각 성분만을 취한 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 NS(Neumann Series)의 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, 상기 Φ 행렬을 NS 기반의 Z-1의 근사식에 대입하여 Z-1을 계산하는 단계, 및 상기 연산된 Z-1에 GH를 곱하여 프리코딩 행렬을 생성하는 단계를 포함하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, in a precoding method performed by a base station in a large-capacity MIMO system, calculating a Z matrix (Z=G·G H ) based on a channel matrix (G) between the base station and a plurality of users And, calculating the number of diagonally dominant rows (V; 0≤V≤N u ) in the Z matrix and comparing the number of diagonally dominant rows (V) with the number of users (N u ), and comparison Based on the result, selecting only one column component within the Z matrix or selecting a set number (k; 1<k<N u ) of column components, and a diagonal matrix taking only diagonal components from the Z matrix ( D) combining the selected column components to obtain a Φ matrix, which is an initial matrix of NS (Neumann Series), and calculating Z -1 by substituting the Φ matrix into an approximate formula of NS-based Z -1 , and the It provides a precoding method for a downlink large-capacity MIMO system including generating a precoding matrix by multiplying the calculated Z -1 by G H.

또한, 상기 Z-1을 계산하는 단계는, 상기 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 상기 Φ 행렬을 구한 후 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음, 상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산할 수 있다.In addition, the step of calculating Z -1 may include calculating the Φ matrix by combining the selected column components with the diagonal matrix (D), calculating Φ -1, which is an inverse matrix, and then calculating the Φ -1 with the Z a multiplied value (Φ -1 · Z) may be substituted for the term of the approximate equation of the Z -1 calculate the Z -1.

또한, 상기 열 성분을 선택하는 단계는, 상기 열 성분의 선택 시에, 상기 Z 행렬 내의 각 열 중에서 전력이 높은 순서로 선택할 수 있다.In the selecting of the column component, when the column component is selected, each column in the Z matrix may be selected in an order of high power.

또한, 상기 열 성분을 선택하는 단계는, 상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수와 동일한 경우(V=Nu), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 최대 전력을 가지는 1개의 열 성분을 선택하는 DCNS(Diagonal plus Column NS)-1 기법을 적용하고, 상기 대각 지배적인 행의 개수가 0개인 경우(V=0), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 전력 크기가 높은 순으로 k개의 열 성분을 선택하는 DCNS-k 기법을 적용할 수 있다.In addition, the step of selecting the column component may include, if the number of diagonally dominant rows is the same as the number of users (V=N u ), in a state in which all the diagonal components in the Z matrix are treated as 0, Applying the DCNS (Diagonal plus Column NS)-1 technique for selecting one column component with the maximum power, and when the number of diagonally dominant rows is 0 (V=0), all of the diagonal components in the Z matrix In the state of being treated as 0, the DCNS-k technique can be applied to select k number of column components in the order of the highest power level among each column.

여기서, 상기 Z-1을 계산하는 단계는, 상기 V=Nu인 경우, 상기 선택된 1개의 열 성분을 상기 대각 행렬(D)에 결합하여 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, Φ 행렬을 다시 대각 행렬(D)과 atomic 행렬로 분리한 결과를 이용하여 Φ의 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음, 상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산할 수 있다.Here, in the calculating of Z -1 , when V = N u , the selected one column component is combined with the diagonal matrix (D) to obtain an initial matrix Φ matrix, and the Φ matrix is again a diagonal matrix Calculate Φ -1 , which is the inverse matrix of Φ, using the result of dividing into (D) and atomic matrix, and then multiplying the Φ -1 with the Z (Φ -1 ·Z) is an approximate formula of Z -1 Z -1 can be calculated by substituting in the corresponding term of.

여기서, 상기 Z-1을 계산하는 단계는, 상기 V=O인 경우, 상기 k개 열 성분들 중 j번째(j={1,…,k)) 선택된 열 성분과 상기 대각 행렬(D)을 셔먼 모리슨(Sherman Morrison) 공식에 적용하는 연산 동작을 j=1 부터 k까지 k회 반복하여, 초기 행렬인 Φk 행렬에 대한 역행렬 (Φk)-1을 연산한 다음, 상기 (Φk)-1를 상기 Z와 곱한 값((Φk)-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산할 수 있다.Here, in the calculating of Z -1 , when V=O, the j-th (j=(1,...,k)) selected column component among the k column components and the diagonal matrix (D) are The operation applied to the Sherman Morrison formula is repeated k times from j=1 to k, calculating the inverse matrix (Φ k ) -1 for the initial matrix Φ k matrix, and then (Φ k ) - Z -1 can be calculated by substituting a value ((Φ k ) -1 ·Z) multiplied by 1 by Z in the corresponding term of the approximation formula of Z -1 .

또한, 상기 열 성분을 선택하는 단계는, 상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수보다 작고 0보다 큰 경우(0<V<Nu), 상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적인 V개 행에 대응하여 DCNS-1 기법을 적용하고 상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적이지 않은 나머지 U개 행에 대해 DCNS-U 기법(k=U)을 적용하는 하이브리드 기법을 선택할 수 있다.In addition, the step of selecting the column component may include, when the number of diagonally dominant rows is smaller than the number of users and greater than 0 (0<V<N u ), in the Z matrix, the diagonally dominant V rows are Correspondingly, the DCNS-1 technique may be applied and the DCNS-U technique (k=U) applied to the remaining U rows that are not diagonally dominant in the Z matrix may be selected.

여기서, 상기 Z-1을 계산하는 단계는, 상기 0<V<Nu인 경우, 상기 Z 행렬 내 각 행에 대해 대각 지배성 크기를 연산하여 대각 지배성 크기가 높은 순으로 G 행렬의 행들을 재정렬하고, 재정렬된 GS를 이용하여 ZS 행렬(ZS=GS·GS H)을 연산하고, 상기 ZS 행렬을 상기 V값을 기초로 4개 영역으로 분할하여, 좌상단부터 좌하단까지 시계방향으로 V×V의 D1 행렬, V×U의 E1 행렬, U×U의 D2 행렬 및 U×V의 D2 행렬을 분리한 다음, 상기 D1 행렬에 DCNS-1 기법을 적용하여 (D1)-1 행렬을 얻고, D2 행렬에 DCNS-U 기법을 적용하여 상기 (D2)-1 행렬을 얻은 후, 상기 (D1)-1, (D2)-1, E1 및 E2 행렬을 아래 수학식에 대입하여 ZS의 역행렬인 ZS -1을 계산할 수 있다.Here, in the calculating of Z -1 , when 0<V<N u , a diagonal dominance size is calculated for each row in the Z matrix, and the rows of the G matrix are in the order of the highest diagonal dominance size. After reordering and calculating the Z S matrix (Z S =G S ·G S H ) using the rearranged G S , the Z S matrix is divided into 4 regions based on the V value, from the top left to the bottom left. one to remove the D 2 matrix of D 1 matrix of V × V in the clockwise direction, V × U of E 1 matrix, U × U D 2 matrix and U × V in the following, the DCNS-1 scheme to the D 1 matrix Applying to obtain the (D 1 ) -1 matrix, applying the DCNS-U technique to the D 2 matrix to obtain the (D 2 ) -1 matrix, the (D 1 ) -1 , (D 2 ) -1 , E 1 and E 2 is substituted for the matrix equation below, it is possible to calculate the inverse matrix of the Z S Z S -1.

Figure 112019085487297-pat00004
Figure 112019085487297-pat00004

여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬을 나타낸다.Here, L is the length of LS, and I i is an i×i identity matrix.

본 발명에 따르면, 채널 간 상관도가 높은 대용량 MIMO 시스템에서 효율적 프리코딩을 위해 유저들의 대각 지배성에 따라 적응적으로 프리코딩을 수행함으로써 기존의 ZF 프리코딩 기법보다 매우 낮은 복잡도를 가지면서 유사한 오류 성능을 제공하며 기존의 DNS 프리코딩 기법보다 오류 성능을 개선할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, for efficient precoding in a large-capacity MIMO system with high correlation between channels, precoding is performed adaptively according to the diagonal dominance of users, thereby having a very low complexity and similar error performance than the conventional ZF precoding technique. It provides and has the advantage of improving error performance over existing DNS precoding techniques.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대용량 MIMO 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 기지국에 적용되는 프리코딩 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2를 이용한 프리코딩 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 하이브리드 기법에서 정렬된 행렬 ZS 및 초기 행렬 Φ를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프리코딩 방법의 개략적인 순서도이다.
도 6은 기존의 기법과 본 발명이 제시한 기법에서 Z-1을 계산하기 위해 요구되는 곱셈 연산량을 나타낸 도면이다.
도 7은 200×10, 200×20, 200×30 대용량 MIMO 시스템에서 채널 추정 MSE(Mean Square Error) 성능을 나타낸 도면이다.
도 8은 유저 수에 따른 DCNS-1, DCNS-k, hybrid DCNS-1 and DCNS-U의 사용 빈도를 나타낸 도면이다.
도 9는 200×10 대용량 MIMO 시스템에서 기존의 기법과 본 발명에서 제시한 기법의 BER (Bit Error Rate) 성능을 나타낸 도면이다.
도 10은 200×20 대용량 MIMO 시스템에서 기존의 기법과 본 발명에서 제시한 기법의 BER 성능을 나타낸 도면이다.
도 11은 200×30 대용량 MIMO 시스템에서 기존의 기법과 본 발명에서 제시한 기법의 BER 성능을 나타낸 도면이다.
도 12는 200×20과 200×30 대용량 MIMO 시스템에서 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조를 사용할 때, 본 발명에서 제시한 기법의 nulling 유저 선택에 따른 BER 성능을 나타낸 도면이다.
도 13은 유저 수에 따라 기존의 기법과 본 발명의 곱셈 연산량을 나타낸 도면이다.
1 is a block diagram of a large-capacity MIMO system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a precoding apparatus applied to the base station of FIG. 1.
3 is a diagram illustrating a precoding method using FIG. 2.
4 is a diagram illustrating an aligned matrix Z S and an initial matrix Φ in a hybrid technique.
5 is a schematic flowchart of a precoding method according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a multiplication amount required to calculate Z -1 in the conventional technique and the technique proposed by the present invention.
7 is a diagram showing channel estimation MSE (Mean Square Error) performance in a 200×10, 200×20, and 200×30 large-capacity MIMO system.
8 is a diagram showing the frequency of use of DCNS-1, DCNS-k, hybrid DCNS-1 and DCNS-U according to the number of users.
9 is a diagram showing BER (Bit Error Rate) performance of a conventional technique and a technique proposed in the present invention in a 200×10 large-capacity MIMO system.
10 is a diagram showing BER performance of a conventional technique and a technique proposed in the present invention in a 200×20 large-capacity MIMO system.
11 is a diagram showing BER performance of a conventional technique and a technique proposed in the present invention in a 200×30 large-capacity MIMO system.
FIG. 12 is a diagram showing BER performance according to nulling user selection of the scheme proposed in the present invention when 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulation is used in 200×20 and 200×30 large-capacity MIMO systems.
13 is a diagram showing an existing technique and a multiplication amount of the present invention according to the number of users.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Then, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대용량 MIMO 시스템의 구성도이다. 대용량 MIMO 시스템은 기지국(10)(BS;Base Station)과 복수의 유저(10)(User)를 포함한다. 1 is a block diagram of a large-capacity MIMO system according to an embodiment of the present invention. A large-capacity MIMO system includes a base station 10 (BS) and a plurality of users 10 (User).

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예는 Nt 개의 송신 안테나를 가진 기지국(10)(BS)과, 한 개의 수신 안테나를 가진 Nu 명의 유저(20)(User 1, …, User Nu)를 포함하는 대용량 MIMO 시스템을 고려한다(Nt≫Nu). 여기서, 유저란 사용자 단말을 의미할 수 있다.As shown in Fig. 1, an embodiment of the present invention is a base station 10 (BS) having N t transmit antennas, and N u users 20 (User 1, ..., User) having one receive antenna. Consider a large-capacity MIMO system including N u ) (N t ≫N u ). Here, the user may mean a user terminal.

i번째 유저의 수신 신호(yi)는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.The received signal y i of the i-th user is expressed as in Equation 1 below.

Figure 112019085487297-pat00005
Figure 112019085487297-pat00005

여기서, P는 기지국의 송신 전력, W는 프리코딩 행렬, wi는 w의 i번째 열, xi는 i번째 유저에 대한 평균이 0이고 분산이 1인 변조된 송신 신호, ni는 i번째 유저에서 발생한 평균이 0이고 분산이 1인 AWGN(Additive White Gaussian Noise), gi는 모든 송신 안테나로부터 i번째 유저로의 레일리 채널 벡터, T는 전치행렬, F는 프로베니우스 놈(Frobenius norm)을 나타낸다.Here, P is the transmission power of the base station, W is the precoding matrix, w i is the i-th column of w, x i is a modulated transmission signal with an average of 0 and variance of 1 for the i-th user, and n i is the i-th AWGN (Additive White Gaussian Noise) with an average of 0 and a variance of 1, g i is a Rayleigh channel vector from all transmit antennas to the i-th user, T is a transpose matrix, and F is a Frobenius norm. Represents.

기지국(10)과 복수의 유저(20) 사이의 채널 행렬 G는 수학식 2와 같이 표현된다.The channel matrix G between the base station 10 and the plurality of users 20 is expressed as in Equation 2.

Figure 112019085487297-pat00006
Figure 112019085487297-pat00006

여기서, gij는 평균이 0이고 분산이 1이며, j번째 송신 안테나로부터 i번째 유저로의 채널 계수를 나타낸다(1≤i≤Nu, 1≤j≤Nt). Here, g ij has an average of 0 and a variance of 1, and represents a channel coefficient from the j-th transmit antenna to the i-th user (1 ≤ i ≤ N u , 1 ≤ j ≤ N t ).

기존의 ZF(Zero-Forcing) 프리코딩 기법은 기지국에서 채널 정보를 정확하게 알고 있다고 가정할 때, 송신 신호에 의사 역행렬(프리코딩 행렬)을 곱함으로써 MUI(Multi-User Interference)를 완벽하게 제거한다. ZF 프리코딩을 위한 벡터 조건은 수학식 3과 같다. The existing ZF (Zero-Forcing) precoding technique completely removes Multi-User Interference (MUI) by multiplying the transmitted signal by a pseudo inverse matrix (precoding matrix), assuming that the base station knows the channel information accurately. The vector condition for ZF precoding is shown in Equation 3.

Figure 112019085487297-pat00007
Figure 112019085487297-pat00007

그리고 수학식 3을 만족시키는 프리코딩 행렬(W)은 수학식 4와 같다.And the precoding matrix (W) satisfying Equation 3 is the same as Equation 4.

Figure 112019085487297-pat00008
Figure 112019085487297-pat00008

여기서, (·)H는 에르미트(Hermitian) 변환을 나타낸다. 이러한 수학식 4의 프리코딩 행렬(W)는 채널 행렬(G)에 대한 의사 역행렬에 해당한다.Here, (·) H represents the Hermitian transform. The precoding matrix (W) of Equation 4 corresponds to a pseudo inverse matrix to the channel matrix (G).

그런데 기존 ZF 프리코딩 기법은 대용량 MIMO 시스템에서 최적의 오류 성능을 보이지만, gram 행렬

Figure 112019085487297-pat00009
에 대한 역행렬인
Figure 112019085487297-pat00010
의 연산 복잡도 차수는
Figure 112019085487297-pat00011
로 매우 높다.However, the existing ZF precoding technique shows optimal error performance in large-capacity MIMO systems, but the gram matrix
Figure 112019085487297-pat00009
Which is the inverse matrix for
Figure 112019085487297-pat00010
The computational complexity order of is
Figure 112019085487297-pat00011
Is very high.

비록 ZF 기법은 선형 프리코딩 기법이지만 많은 수의 유저를 수용하는 대용량 MIMO 시스템에서 매우 높은 복잡도를 지니므로 구현이 어렵다. 본 발명의 실시예는 대용량 MIMO 시스템에서 연산 복잡도를 낮출 수 있는 프리코딩 기법을 제안한다.Although the ZF technique is a linear precoding technique, it is difficult to implement because it has very high complexity in a large-capacity MIMO system accommodating a large number of users. An embodiment of the present invention proposes a precoding technique that can reduce computational complexity in a large-capacity MIMO system.

이하에서는 표현의 간단함을 위해, gram 행렬(

Figure 112019085487297-pat00012
)을 다음과 같이 Z로 정의한다.In the following, for simplicity of expression, the gram matrix (
Figure 112019085487297-pat00012
) Is defined as Z as follows.

Figure 112019085487297-pat00013
Figure 112019085487297-pat00013

수학식 5를 이용하면 수학식 4는 간단히 W = GH·Z-1 로 표현되어진다. Using Equation 5, Equation 4 is simply expressed as W = G H ·Z -1 .

기지국(10)에서 송신 신호를 프리코딩하기 위해서는 수학식 4의 프리코딩 행렬 W을 구해야 하며, W를 구하기 위해 GH와 Z-1를 각각 연산 후 곱하는 과정이 필요함을 알 수 있다. It can be seen that in order for the base station 10 to precode a transmission signal, the precoding matrix W of Equation 4 must be obtained, and in order to obtain W, G H and Z -1 must be calculated and then multiplied.

그런데, GH는 수학식 2를 에르미트 변환하여 쉽게 구해지지만, Z의 역행렬(Z-1)은 연산 복잡도가 매우 높다. By the way, G H is easily obtained by Hermitian transformation of Equation 2, but the inverse matrix of Z (Z -1 ) has a very high computational complexity.

본 발명의 실시예는 Z-1의 연산 복잡도를 줄이기 위한 방법으로 NS(Neumann Series; 노이만 급수) 기반의 Z-1의 근사식을 사용한다. Embodiment of the invention the NS method for reducing the computational complexity of the Z -1; uses the approximate expression of the (Neumann Series Neumann water) based on Z -1.

NS 기반의 Z-1의 근사식은 아래의 수학식 6으로 정의된다.The approximate formula of NS-based Z -1 is defined by Equation 6 below.

Figure 112019085487297-pat00014
Figure 112019085487297-pat00014

여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬, Φ는 NS의 초기 행렬이다.Here, L is the length of LS, I i is the i×i identity matrix, and Φ is the initial matrix of NS.

아래의 수학식 7은 가역 행렬인 Z에 대해 수학식 6의 NS 기반의 Z-1을 계산하기 위한 수렴 조건을 나타낸다. Equation 7 below represents a convergence condition for calculating NS-based Z -1 of Equation 6 for Z, which is a reversible matrix.

Figure 112019085487297-pat00015
Figure 112019085487297-pat00015

여기서, Oi는 i×i 영행렬을 나타낸다. Here, O i represents an i×i zero matrix.

이와 같이, NS 기반의 Z-1의 근사식은 Z의 역행렬인 Z-1을 더욱 낮은 복잡도로 연산하면서 연산 오류를 최소화하기 위한 근사화된 수식을 의미한다. 이하의 본 실시예는 낮은 복잡도를 위하여 수학식 6과 7에서 L=1로 고정하여 사용한다. 물론 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다.In this manner, the operation and the inverse matrix Z -1 in the approximation expression of the NS Z Z -1 based on a lower complexity means the approximation equation to minimize operation errors. In the following embodiment, for low complexity, L=1 in Equations 6 and 7 is fixed. Of course, the present invention is not necessarily limited thereto.

우수한 성능을 지닌 NS를 위한 Φ의 설정 조건은 아래와 같이 두 가지로 요약된다. 첫 번째는 수학식 7을 빠르게 수렴시켜야 하며, 두 번째는 수학식 6의 Φ-1의 연산 복잡도를 낮출 수 있어야 한다.The setting conditions of Φ for NS with excellent performance are summarized as follows. The first should converge Equation 7 quickly, and the second should be able to reduce the computational complexity of Φ -1 in Equation 6.

NS 기반의 ZF 기법 중에서 DNS(Diagonal NS)는 gram 행렬(Z)의 대각 지배적인 특성을 활용하여, ZF보다 매우 낮은 복잡도를 지니면서 높은 오류 성능을 얻는다.Among the NS-based ZF techniques, DNS (Diagonal NS) utilizes the diagonally dominant characteristic of the gram matrix (Z) to obtain high error performance while having a much lower complexity than ZF.

구체적으로, DNS 프리코딩 기법은 수학식 6의 Φ 부분을 수학식 5의 gram 행렬(Z)의 대각 성분으로만 구성(대체)하여 수학식 6의 연산 복잡도를 낮춘다(Φ=D). 이하에서는 편의상 이를 대각 행렬(D)로 명명한다.Specifically, the DNS precoding technique lowers the computational complexity of Equation 6 by constructing (substituting) the Φ part of Equation 6 with only the diagonal components of the gram matrix Z of Equation 5 (Φ=D). Hereinafter, for convenience, this is referred to as a diagonal matrix (D).

Z 행렬에 대한 대각 행렬(D)은 아래 수학식 8로 표현된다. 즉, 대각 행렬(D)는 gram 행렬(Z)에서 대각 성분만 취하고 나머지 성분을 0으로 처리한 것에 해당한다.The diagonal matrix (D) for the Z matrix is represented by Equation 8 below. That is, the diagonal matrix D corresponds to taking only the diagonal component from the gram matrix Z and processing the remaining components as 0.

Figure 112019085487297-pat00016
Figure 112019085487297-pat00016

만일, 수학식 6에서 Φ를 Z로 사용할 경우, gram 행렬(Z) 내 원소(성분)들을 모두 활용하여 Φ-1를 연산해야 하므로 연산 복잡도가 매우 높다. If Φ is used as Z in Equation 6, the computational complexity is very high because Φ -1 must be calculated using all the elements (components) in the gram matrix Z.

하지만, DNS 프리코딩 기법의 경우 Φ를 D로 사용함으로써 gram 행렬(Z) 내 모든 성분들이 아닌 대각 성분만을 사용하여 Φ의 역행렬 즉, Φ-1를 연산하면 되므로 연산 복잡도를 매우 낮출 수 있다.However, in the case of the DNS precoding technique, the computational complexity can be greatly reduced by using Φ as D, since it is only necessary to calculate the inverse matrix of Φ, that is, Φ -1 using only the diagonal components, not all components in the gram matrix (Z).

이와 같이 DNS 기법은 gram 행렬(Z)의 대각 지배적인 특성을 기초로 Z값을 모두 사용하지 않고 Z값의 대각 성분만을 취하여 이를 Φ 값으로 사용하여, 수학식 6의 Φ-1의 연산 복잡도를 낮춘다.In this way, the DNS technique does not use all of the Z values based on the diagonal dominant characteristic of the gram matrix (Z), but takes only the diagonal component of the Z value and uses it as the Φ value, thereby reducing the computational complexity of Φ -1 in Equation 6 Lower it.

이를 토대로 알 수 있는 것은 기지국(10)에서 수학식 4의 프리코딩 행렬 W를 얻기 위해, gram 행렬(

Figure 112019085487297-pat00017
)의 역행렬인 Z-1를 수학식 6의 근사식을 통해 구하는 과정에서, 수학식 6의 Φ를 어떤 값으로 사용(적용)하느냐에 따라 복잡도가 달라짐을 알 수 있다.Based on this, in order to obtain the precoding matrix W of Equation 4 in the base station 10, the gram matrix (
Figure 112019085487297-pat00017
In the process of obtaining Z -1 , the inverse matrix of) through the approximation of Equation 6, it can be seen that the complexity varies depending on what value Φ of Equation 6 is used (applied).

만일, 기지국의 송신 안테나 개수 대비 유저 수가 적은 경우(ρ가 클수록), 대용량 MIMO 시스템의 채널 간 상관도가 낮아진다. 이 경우 DNS 프리코딩 기법은 수학식 7을 빠르게 수렴시키며, NS의 초기 행렬(Φ)이 대각 행렬(D)로 대체되어(Φ=D), Φ-1의 연산 복잡도가 낮으며 NS 기반의 ZF 방식으로 적합하다.If the number of users is smaller than the number of transmit antennas of the base station (the larger ρ is), the correlation between channels of a large-capacity MIMO system is lowered. In this case, the DNS precoding technique quickly converges Equation 7 and the initial matrix (Φ) of NS is replaced with a diagonal matrix (D) (Φ=D), so the computational complexity of Φ -1 is low, and the NS-based ZF Fit in a way.

하지만 기지국의 송신 안테나 개수 대비 유저수가 많을 경우(ρ가 작을수록), 대용량 MIMO 시스템의 상관도가 높지므로, 이 경우 NS 프리코딩 기법을 사용할 경우, L을 무수히 증가시키더라도 수학식 7을 만족시키지 못하여, 심각한 오류 성능 열화를 초래한다.However, if the number of users compared to the number of transmission antennas of the base station is larger (the smaller ρ), the correlation of the large-capacity MIMO system is high.In this case, when using the NS precoding technique, Equation 7 is not satisfied even if L is increased numerous times Can lead to serious error performance degradation.

즉, DNS의 오류 성능 열화를 줄이기 위해서는 gram 행렬(Z 행렬)이 대각 지배적이어야 한다. 그러나 상관성이 높은 대용량 MIMO 시스템에서는 gram 행렬이 부분적으로 대각 지배적이거나 혹은 완전히 대각 지배적이지 않을 수 있다. 또한, gram 행렬이 대각 지배적이라 하더라도 변조 차수가 높을 경우, 오류 성능 열화가 발생하므로, 본 발명의 실시예는 이를 줄이기 위한 적응적 프리코딩 기법을 사용한다.That is, in order to reduce the DNS error performance degradation, the gram matrix (Z matrix) should dominate diagonally. However, in a highly correlated large-capacity MIMO system, the gram matrix may partially dominate diagonally or may not completely dominate diagonally. In addition, even if the gram matrix is diagonally dominant, if the modulation order is high, error performance deterioration occurs, and thus, the embodiment of the present invention uses an adaptive precoding technique to reduce this.

이하의 본 발명의 실시예는 상관도가 높은 대용량 MIMO 시스템에서도 DNS의 신뢰성을 확보하기 위한 프리코딩 기법을 제안한다. 제안된 프리코딩 기법은 각 유저의 대각 지배성에 따라 적응적으로 프리코딩을 수행한다. The following embodiments of the present invention propose a precoding scheme for securing the reliability of DNS even in a large-capacity MIMO system with high correlation. The proposed precoding technique adaptively performs precoding according to the diagonal dominance of each user.

즉, 기지국(10)은 수학식 4의 프리코딩 행렬 W를 얻기 위해, gram 행렬(

Figure 112019085487297-pat00018
)의 역행렬인 Z-1를 수학식 6의 근사식을 통해 구하되, 유저의 대각 지배성에 따라 Φ를 달리 사용하여, 상황에 따라 복잡도와 오류 성능을 조절한다.That is, the base station 10 obtains the precoding matrix W of Equation 4, the gram matrix (
Figure 112019085487297-pat00018
), the inverse matrix of Z -1 is obtained through the approximation of Equation 6, but the complexity and error performance are adjusted according to the situation by using Φ differently according to the user's diagonal dominance.

물론, 본 발명의 실시예는 궁극적으로는 Z의 역행렬인 Z-1을 낮은 복잡도와 높은 신뢰도로 연산하며, 연산된 Z-1을 GH와 곱하여 프리코딩 행렬 W를 생성한다.Of course, the embodiment of the present invention ultimately calculates Z -1 , which is the inverse matrix of Z, with low complexity and high reliability, and generates a precoding matrix W by multiplying the calculated Z -1 by G H.

즉, 기지국(10)은 수학식 6의 근사식을 기반으로 Z의 역행렬(Z-1)을 구한 다음, Z-1를 GH와 다시 곱하여 프리코딩 행렬 W을 생성한다. 그리고, 송신 신호에 프리코딩 행렬을 곱하여, 프리코딩된 송신 신호를 유저(20)에게 전송함으로써 다중 유저 간섭(MUI)을 제거한다. That is, the base station 10 calculates the inverse matrix of Z (Z -1 ) based on the approximation of Equation 6, and then multiplies Z -1 by G H to generate the precoding matrix W. Further, the transmission signal is multiplied by the precoding matrix, and the precoded transmission signal is transmitted to the user 20 to remove multi-user interference (MUI).

여기서, 기지국(10)은 기지국(10)과 복수의 유저(20) 간에 구해진 Z 행렬을 기초로 대각 지배성을 분석하고 대각 지배적인 행의 개수와 유저의 개수를 비교한 결과를 기초로 Z의 역행렬(Z-1)을 구하는 방법을 적응적으로 조정한다.Here, the base station 10 analyzes the diagonal dominance based on the Z matrix obtained between the base station 10 and the plurality of users 20 and compares the number of diagonal dominant rows with the number of users. Adaptively adjust the method of finding the inverse matrix (Z -1 ).

이하에는 본 발명의 실시예에 따른 프리코딩 장치 및 방법을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, a precoding apparatus and method according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 실시예에 따른 프리코딩 장치(100)는 기지국(10)에 포함된 것을 가정한다. 물론 프리코딩 장치(100)는 기지국(10) 그 자체에 해당할 수 있다.It is assumed that the precoding apparatus 100 according to the embodiment of the present invention is included in the base station 10. Of course, the precoding apparatus 100 may correspond to the base station 10 itself.

도 2는 도 1의 기지국에 적용되는 프리코딩 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2를 이용한 프리코딩 방법을 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a precoding apparatus applied to the base station of FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram illustrating a precoding method using FIG. 2.

도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 프리코딩 장치(100)는 행렬 생성부(110), 비교부(120), 제어부(130), 역행렬 생성부(140), 프리코딩 행렬 생성부(150)를 포함한다.2 and 3, the precoding apparatus 100 according to the embodiment of the present invention includes a matrix generation unit 110, a comparison unit 120, a control unit 130, an inverse matrix generation unit 140, and And a coding matrix generator 150.

먼저, 행렬 생성부(110)는 기지국(10)과 복수의 유저(20) 사이의 채널 행렬(G)을 기초로 Z 행렬(Z=G·GH)을 연산한다(S310).First, the matrix generator 110 calculates a Z matrix (Z=G·G H ) based on the channel matrix G between the base station 10 and the plurality of users 20 (S310).

기지국(10)과 복수의 유저(20) 간의 채널 행렬(G)는 수학식 4에 나타낸 바 있다. 행렬 생성부(110)는 G와 GH(G에 대한 에르미트 변환)를 곱하여 수학식 5와 같이 Z 행렬을 연산한다. The channel matrix G between the base station 10 and the plurality of users 20 is shown in Equation 4. The matrix generator 110 multiplies G and G H (Hermit transform for G) to calculate a Z matrix as shown in Equation 5.

그리고, 비교부(120)는 Z 행렬에서 대각 지배적인 행의 개수(V; 0≤V≤Nu)를 구하고, 대각 지배적인 행의 개수(V)를 유저의 개수(Nu)와 비교한다(S320).In addition, the comparison unit 120 calculates the number of diagonally dominant rows (V; 0≤V≤N u ) in the Z matrix, and compares the number of diagonally dominant rows (V) with the number of users (N u ). (S320).

비교부(120)는 다음의 수학식 9의 조건을 이용하여 수학식 5의 Z 행렬의 각 행에 대한 대각 지배성(Diagonally dominant) 여부를 판단한다.The comparison unit 120 determines whether or not diagonally dominant for each row of the Z matrix of Equation 5 using the condition of Equation 9 below.

Figure 112019085487297-pat00019
Figure 112019085487297-pat00019

수학식 9는 각 행 마다, 행에 속한 원소 중 대각 성분 zii의 크기가 나머지 성분들의 크기 합보다 큰 것인지 판단하는 수식으로, 만일 그러한 경우 해당 행은 대각 지배적인 행으로 판단한다. Equation 9 is an equation for determining whether the size of the diagonal component z ii among the elements belonging to the row is greater than the sum of the sizes of the remaining components for each row, and in that case, the row is determined as the diagonally dominant row.

즉, Z 행렬의 i 번째 행이 수학식 9를 만족하면 대각 지배적이고, 그렇지 않으면 대각 지배적이지 못한 것을 의미한다. 쉽게 말해서, 대각 성분이 자신을 제외한 나머지 성분보다 우위 조건을 가지는 행을 대각 지배적인 행으로 정의할 수 있다.That is, if the ith row of the Z matrix satisfies Equation 9, it is diagonally dominant, otherwise it is not diagonally dominant. In simple terms, a row in which the diagonal component has an advantage over the rest of the components except itself can be defined as the diagonal dominant row.

간단한 예로, Z는 3×3 크기(Nu=3)를 가지고, 첫 번째 행인 [z11,z12,z13] = [5,1,2], 두 번째 행인 [z21,z22,z23] = [2,7,4], 세 번째 행인 [z31, z32, z33]= [1, 4, 6]인 상황을 가정하어 셜명한다. 여기서 실제로 Z 행렬 내의 모든 원소 z값들은 복소수 형태를 가지지만 설명의 편의상 간단히 양의 정수로 예시하였다.As a simple example, Z has a size of 3×3 (N u =3), the first row is [z 11 ,z 12 ,z 13 ] = [5,1,2] and the second row is [z 21 ,z 22 , z 23 ] = [2,7,4], and the third row, [z 31 , z 32 , z 33 ] = [1, 4, 6]. Here, in fact, all the z-values of the elements in the Z matrix have a complex number form, but for convenience of explanation, they are simply illustrated as positive integers.

이 경우, 첫 번째 행의 대각 성분(z11)의 크기 5는 나머지 두 성분(z12,z13)의 합인 3보다 크므로(5 > 1+2), 첫 번째 행은 대각 지배적인 행이 된다. 마찬가지로, 두 번째 행의 대각 성분(z22)의 크기 7는 나머지 두 성분의 합보다 크고, 세 번째 행의 대각 성분(Z33)의 크기 6은 나머지 두 성분의 합보다 크다. In this case, the size 5 of the diagonal component (z 11 ) of the first row is greater than 3 (5> 1+2), the sum of the remaining two components (z 12 ,z 13 ), so the first row is the diagonally dominant row. do. Similarly, the size 7 of the diagonal component (z 22 ) of the second row is greater than the sum of the other two components, and the size 6 of the diagonal component (Z 33 ) of the third row is greater than the sum of the other two components.

따라서 상술한 예시에서는 Z 행렬을 구성하는 모든 행이 대각 지배적인 행이므로 대각 지배적인 행의 개수(V)는 3이며, 이는 Nu와도 같으므로 V=Nu=3이 된다.Accordingly, in the above example, since all rows constituting the Z matrix are diagonally dominant rows, the number of diagonally dominant rows (V) is 3, which is also equal to N u , so V=N u =3.

본 실시예에 따른 프리코딩 기법은 대각 지배적인 행의 개수(V)에 따라 3 가지의 시나리오로 나누어진다.The precoding scheme according to the present embodiment is divided into three scenarios according to the number (V) of diagonally dominant rows.

구체적으로, V=Nu인 시나리오(Z 행렬 내 모든 행이 대각 지배적인 경우; Case 1)와, V=0인 시나리오(모든 행이 대각 지배적이지 않은 경우; Case 2), 그리고 0<V<Nu인 시나리오(일부 행이 대각 지배적인 경우; Case 3)로 구분될 수 있다. 본 발명의 실시예는 각 시나리오마다 서로 다른 프리코딩 기법을 적용한다.Specifically, the scenario where V=N u (when all rows in the Z matrix dominate diagonally; Case 1), the scenario where V=0 (when all rows are not diagonally dominant; Case 2), and 0<V< It can be divided into a scenario with N u (where some rows dominate diagonally; Case 3). An embodiment of the present invention applies different precoding techniques for each scenario.

구체적으로, V=Nu(Case 1)인 경우 즉, 모든 유저가 대각 지배적인 경우에는 DNS 기법과 유사한 낮은 복잡도를 지니면서 오류 성능을 향상시키는 DCNS(Diagonal plus Column NS)-1 기법을 적용하여 프리코딩한다. Specifically, in the case of V=N u (Case 1), that is, when all users are diagonally dominant, the DCNS (Diagonal plus Column NS)-1 technique is applied to improve error performance while having a low complexity similar to the DNS technique. Precode.

그리고, V=0(Case 2)인 경우 즉, 모든 유저가 대각 지배적이지 않은 경우에는 채널 상관도가 높기 때문에, DNS의 오류 성능을 개선시키기 위해 복잡도를 조금 높이더라도 DCNS-k 프리코딩을 적용한다. 물론, DCNS-k 기법은 ZF 기법보다는 훨씬 낮은 복잡도를 지니면서 유사한 오류 성능을 갖는다.And, when V=0 (Case 2), that is, when all users are not diagonally dominant, the channel correlation is high, so DCNS-k precoding is applied even if the complexity is slightly increased to improve the error performance of DNS. . Of course, the DCNS-k technique has a much lower complexity than the ZF technique and has similar error performance.

다음, 0<V<Nu인 경우 즉, 일부 유저들이 부분적으로 대각 지배적인 경우, 대각 지배적인 유저에게는 DCNS-1을 적용하고, 대각 지배적이지 않은 유저에게는 DCNS-U를 적용하는 하이브리드(hybrid DCNS-1 and DCNS-U) 프리코딩 기법을 적용한다.Next, when 0<V<N u , that is, when some users partially dominate diagonally, DCNS-1 is applied to users who dominate diagonally, and DCNS-U is applied to users who are not diagonally dominant. -1 and DCNS-U) Apply precoding technique.

후술하겠지만 DCNS-1은 DCNS-k에서 k=1인 특수한 상황을 나타낸다. 또한 DCNS-k 기법에서는 Z 행렬에 대한 대각 행렬 D에 Z 행렬에서 선택한 k개 열을 결합하여 Φ 행렬을 구한다. 즉, Φ 행렬을 구할 때, DCNS 기법은 DNS 기법 처럼 Z 행렬에서 대각 성분만 이용하는 것이 아닌, Z 행렬에 포함된 소정 개수의 열 성분을 결합하여 사용한다. As will be described later, DCNS-1 represents a special situation where k=1 in DCNS-k. In addition, in the DCNS-k method, a Φ matrix is obtained by combining the diagonal matrix D with respect to the Z matrix and k columns selected from the Z matrix. That is, when obtaining the Φ matrix, the DCNS technique does not use only the diagonal components in the Z matrix, as in the DNS technique, but combines and uses a predetermined number of column components included in the Z matrix.

이하에서는 설명의 편의를 위하여 Case 1과 Case 2를 우선적으로 설명한다.Hereinafter, for convenience of explanation, Case 1 and Case 2 will be first described.

비교부(120)는 대각 지배적인 행의 개수(V)를 유저의 개수(Nu)와 비교하며, V 값과 비교 결과를 제어부(130)로 전달한다.The comparison unit 120 compares the number of diagonally dominant rows (V) with the number of users (N u ), and transmits the V value and the comparison result to the controller 130.

그러면, 제어부(130)는 비교부(120)에서 수행한 비교 결과를 기초로, 수학식 5의 Z 행렬 내에서 1개의 열 성분만 선택하거나, 설정 개수(k개; 1<k<Nu)의 열 성분을 선택한다(S330). Then, based on the comparison result performed by the comparison unit 120, the control unit 130 selects only one column component in the Z matrix of Equation 5, or a set number (k; 1<k<N u ) Select the thermal component of (S330).

이러한 제어부(130)는 사실상 본 발명의 실시예에서 프리코딩 기법을 적응적으로 제어하는 역할을 하며, 그밖에도 각 부(110,120,140,150)를 제어할 수 있다.In fact, the controller 130 serves to adaptively control the precoding technique in the embodiment of the present invention, and may also control each of the units 110, 120, 140, and 150.

여기서, 제어부(130)는 열 성분의 선택 시에, 수학식 5의 Z 행렬 내의 각 열 중에서 전력이 높은 순서로 열 성분을 선택할 수 있다. Here, when selecting the column component, the control unit 130 may select the column component in the order of the highest power among each column in the Z matrix of Equation (5).

만일, 수학식 5의 Z 행렬 내에서 1개의 열 성분만 선택해야 하는 경우 전체 열 중에 최대 전력을 갖는 하나의 열을 선택하면 되고, k개의 열성분을 선택하는 경우 전체 열 중에 전력이 높은 상위 k개의 열성분을 선택하면 된다. If only one column component needs to be selected in the Z matrix of Equation 5, one column with the maximum power can be selected among all columns, and when k column components are selected, the higher power k among all columns. Just select the heat component of the dog

구체적으로, 제어부(130)는 대각 지배적인 행의 개수(V)가 유저의 개수(Nu)와 동일한 경우(V=Nu; Case 1), Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 최대 전력을 가지는 1개의 열 성분을 선택하는 DCNS-1 기법을 적용한다. 이때 해당 열에 있는 각 성분의 제곱을 합하면 해당 열의 전력 크기가 나온다.Specifically, when the number of diagonally dominant rows (V) is equal to the number of users (N u ) (V=N u ; Case 1), the control unit 130 processes all diagonal components in the Z matrix as 0 DCNS-1 technique is applied to select one column component with the maximum power among each column. At this time, when the squares of each component in the column are summed, the power level of the column is obtained.

그리고, 제어부(130)는 대각 지배적인 행의 개수(V)가 유저의 개수(Nu)보다 작되 0개인 경우(V=0; Case 2), Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 전력 크기가 높은 순으로 k개의 열 성분을 선택하는 DCNS-k 기법을 적용한다. In addition, when the number of diagonally dominant rows (V) is smaller than the number of users (N u ) but is 0 (V=0; Case 2), all of the diagonal components in the Z matrix are processed as 0. The DCNS-k technique is applied, which selects k heat components from each column in the order of the highest power level.

여기서, k는 시스템에서 목표로 하는 성능, 채널 환경 등을 고려하여 1<k<Nu 범위 내에서 결정될 수 있다. 물론 k=Nu 이면 사실상 기존 ZF 기법과 같아지므로 k는 Nu 보다 작은 값(예를 들어, k=0.3Nu, 0.6Nu)으로 결정되는 것이 바람직하다. 이러한 제어부(130)는 사실상 본 발명의 실시예에서 프리코딩 기법을 적응적으로 제어하는 역할을 한다.Here, k may be determined within a range of 1 < k < N u in consideration of target performance and channel environment of the system. Of course, if k=N u, it is effectively the same as the existing ZF technique, so it is preferable that k is determined to be smaller than N u (for example, k=0.3N u , 0.6N u ). In fact, the controller 130 adaptively controls the precoding technique in the embodiment of the present invention.

그러면, 역행렬 생성부(140)는 Z 행렬에서 대각 성분만을 취한 대각 행렬(D)에 대해, S330 단계에서 선택된 열 성분을 결합하여, NS(Neumann Series)의 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, Φ 행렬을 NS 기반의 Z-1의 근사식(수학식 6)에 대입하여 Z-1을 계산한다(S340).Then, the inverse matrix generator 140 combines the column components selected in step S330 with respect to the diagonal matrix (D) taking only the diagonal components from the Z matrix to obtain a Φ matrix, which is an initial matrix of NS (Neumann Series), and obtains a Φ matrix. Z -1 is calculated by substituting in the NS-based approximation of Z -1 (Equation 6) (S340).

여기서, 역행렬 생성부(140)는 제어부(130)에서 선택된 열 성분을 대각 행렬(D)에 결합하여 Φ 행렬을 구한 후, 구한 Φ을 역행렬 연산하여 Φ-1을 연산한다. 그런 다음, Φ-1를 다시 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 수학식 6(Z-1의 근사식)의 해당 항에 대입함으로써 Z-1을 계산한다.Here, the inverse matrix generator 140 combines the column components selected by the control unit 130 to the diagonal matrix D to obtain a Φ matrix, and then calculates Φ -1 by performing an inverse matrix operation on the obtained Φ. Then, calculates a Z -1 -1 Φ by substituting the re-multiplied by the Z value (Φ · Z -1) in the term of the equation (6) (approximate expression of Z -1).

이후, 프리코딩 행렬 생성부(150)는 S340 단계에서 연산된 Z-1에 GH를 곱하여, 프리코딩 행렬(W)을 최종적으로 생성한다(S350). Thereafter, the precoding matrix generator 150 multiplies Z -1 calculated in step S340 by G H , and finally generates a precoding matrix W (S350).

이에 따라, 기지국(10)은 프리코딩 행렬(W)을 이용하여 송신 신호를 프리코딩하여 유저(20)로 전송한다. 즉, 송신 신호에 프리코딩 행렬(W)을 곱하여, 프리코딩한 송신 신호를 유저로 제공한다.Accordingly, the base station 10 precodes the transmission signal using the precoding matrix W and transmits it to the user 20. That is, the transmission signal is multiplied by the precoding matrix W to provide the precoded transmission signal to the user.

이하에서는 S340 단계를 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, step S340 will be described in more detail.

DCNS-k 기법에서는 간편한 연산을 위하여, Hollow 행렬(E)를 사용하여, DS의 초기 행렬인 Φ 행렬을 구한다. 여기서, E는 다음의 수학식 10과 같이 정의된다.In the DCNS-k technique, for simple operation, a Hollow matrix (E) is used to obtain a Φ matrix, which is an initial matrix of DS. Here, E is defined as in Equation 10 below.

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이러한 행렬 E는 수학식 5의 Z 행렬에서 대각 성분을 모두 0으로 처리한 것으로, Z 행렬에서 D 행렬을 빼는 것을 통해 쉽게 연산될 수 있다.This matrix E is obtained by processing all diagonal components as 0 in the Z matrix of Equation 5, and can be easily calculated by subtracting the D matrix from the Z matrix.

또한, DCNS-k 기법에서, 초기행렬 Φk은 다음의 수학식 11과 같이 설정된다.In addition, in the DCNS-k technique, the initial matrix Φ k is set as in Equation 11 below.

Figure 112019085487297-pat00021
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여기서, Ek는 E에서 선택된 k번째 열과, 나머지 Nu-k개의 영벡터로 구성된다.Here, E k is composed of the k-th column selected from E and the remaining N u -k zero vectors.

이러한 수학식 10과 11을 이용하게 되면, S330 단계에서 선택된 열 성분과 대각 행렬(D)이 결합되어 구성된 Φ 행렬을 구할 수 있다. Using Equations 10 and 11, a Φ matrix formed by combining the column component and the diagonal matrix D selected in step S330 can be obtained.

우선, 발명의 이해를 돕기 위하여, V=Nu(Case 1)에서, Nu=3일 때, DCNS-1을 사용하여 DCMS-1의 초기행렬 Φ(=Φ1)을 생성하는 예시를 먼저 설명한다. First, for better understanding of the invention, an example of generating the initial matrix Φ (=Φ 1 ) of DCMS-1 using DCNS-1 when N u =3 in V=N u (Case 1) is first described. Explain.

이때, Z 행렬에서 대각 성분을 제거한 상태의 E 행렬 내 모든 3개 열 중에서, 첫 번째 열이 가장 높은 전력이라 가정한다면, E1과 Φ1는 다음의 수학식 12와 같다.At this time, if it is assumed that the first column is the highest power among all three columns in the E matrix in the state where the diagonal component is removed from the Z matrix, E 1 and Φ 1 are as in Equation 12 below.

Figure 112019085487297-pat00022
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즉, 수학식 10의 E 행렬에서 전력 강도가 최대인 첫 번째 열 성분만 선택하면 수학식 12의 E1이 얻어진다. 그리고 수학식 11을 이용하여 대각행렬 D에 E1을 결합하면, 수학식 12와 같이 Φ1이 구해진다.That is, E 1 of Equation 12 is obtained by selecting only the first column component having the maximum power intensity in the E matrix of Equation 10. And if E 1 is combined with the diagonal matrix D using Equation 11, Φ 1 is obtained as in Equation 12.

수학식 5의 Z 행렬과 비교하여 보면, 초기 행렬 Φ1는, Z 행렬의 대각 성분과 첫 번째 열 성분으로만 구성된 것을 알 수 있다. 즉, DCSN-1 기법을 적용할 경우에는 Z 행렬 내의 대각 성분과 Z 행렬 내에서 선택된 하나의 열 성분을 결합하여 Φ 행렬을 얻는다.Comparing with the Z matrix of Equation 5, it can be seen that the initial matrix Φ 1 is composed only of the diagonal component and the first column component of the Z matrix. That is, when the DCSN-1 technique is applied, a Φ matrix is obtained by combining the diagonal component in the Z matrix and one column component selected in the Z matrix.

이와 같은 방법으로, V=Nu인 경우(Case 1)에, 역행렬 생성부(140)는, 제어부(130)에서 선택된 1개의 열 성분을 대각 행렬(D)과 결합하여, DCNS-1의 초기행렬 Φ(=Φ1)을 먼저 생성한다. In this way, when V = N u (Case 1), the inverse matrix generator 140 combines one column component selected by the control unit 130 with the diagonal matrix D, and the initial DCNS-1 The matrix Φ(=Φ 1 ) is first created.

그런 다음, 역행렬 생성부(140)는 Φ 행렬을 다시 대각 행렬(D)과 atomic 행렬로 분리한 결과를 이용하여 Φ의 역행렬인 Φ-1을 연산한다. 그리고, 연산된 Φ-1를 다시 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 수학식 6(Z-1의 근사식)의 해당 항에 대입하여 Z-1을 최종 계산한다.Then, the inverse matrix generator 140 calculates Φ -1 , which is an inverse matrix of Φ, using the result of separating the Φ matrix into a diagonal matrix D and an atomic matrix again. Then, by substituting the product of the calculated value Z again and Φ -1 (Φ · Z -1) in the term of the equation (6) (approximate expression of Z -1) and the last calculated Z -1.

여기서, atomic 행렬을 사용하는 이유는 Φ 행렬에 대한 역행렬을 연산하는 과정을 간소화하기 위한 것이다.Here, the reason for using the atomic matrix is to simplify the process of calculating the inverse matrix for the Φ matrix.

즉, 수학식 12의 Φ1를 대각 행렬(D)과 atomic 행렬로 분리하면 수학식 13와 같고, 수학식 13의 역행렬은 수학식 14와 같이 간단히 정리된다.That is, if Φ 1 of Equation 12 is separated into a diagonal matrix (D) and an atomic matrix, it is the same as Equation 13, and the inverse matrix of Equation 13 is simply summarized as Equation 14.

Figure 112019085487297-pat00023
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여기서, 수학식 13은 간단히 Φ1=D·M으로 표현되는데, 그에 대한 역행렬은 (Φ1)-1 = M-1·D-1로 나타내어 진다.Here, Equation 13 is simply expressed as Φ 1 =D·M, and the inverse matrix thereof is expressed as (Φ 1 ) -1 = M -1 ·D -1 .

그런데, 일반적으로 대각 행렬(D)의 역행렬 연산과 atomic 행렬(M)의 역행렬 연산은 매우 쉬운 방법으로 이루어진다. 즉, 수학식 14와 같이 M-1은 M 행렬의 내부 원소 간 나눔 연산하면 되고, D-1은 D 행렬의 원소를 역수로 표현하면 된다.However, in general, the inverse matrix operation of the diagonal matrix (D) and the inverse matrix operation of the atomic matrix (M) are performed in a very easy way. That is, as shown in Equation 14, M -1 may be performed by dividing the inner elements of the matrix M, and D -1 may be expressed as the reciprocal of the elements of the D matrix.

이처럼, atomic 행렬을 이용하여 Φ 행렬을 분리하면, 역행렬의 연산이 매우 간편해지는 것을 알 수 있다.As such, it can be seen that when the Φ matrix is separated using an atomic matrix, the calculation of the inverse matrix becomes very simple.

수학식 6에서는 연산된 Φ-1와 Z 간의 곱셈을 요구하므로, 수학식 14를 이용하여 (Φ1)-1 ·Z를 연산하면, 해당 결과의 첫 번째 열은 [1 0 0]T의 단위 벡터가 된다. 이는 곧 첫 번째 열 성분이 supression된 것을 의미하며, 이를 통해 가장 큰 전력을 지닌 첫 번째 유저에 대한 MUI(간섭)가 모두 제거되었음을 알 수 있다.Since Equation 6 requires the multiplication between the calculated Φ -1 and Z, if (Φ 1 ) -1 ·Z is calculated using Equation 14, the first column of the result is the unit of [1 0 0] T It becomes a vector. This means that the first thermal component has been supressed, and through this, it can be seen that all MUI (interference) for the first user with the greatest power has been removed.

이와 같이, 특정 유저에 대한 MUI를 완벽하게 널링(nulling) 시키면, 프리코딩 이후의 SINR(Signal to Noise plus Interference Ratio)을 증가시켜 오류 성능을 향상시킬 수 있다. 이처럼, 오류 성능을 최대한 향상시키기 위해 가장 큰 전력을 지닌 MUI 성분부터 nulling 시킨다. In this way, if the MUI for a specific user is completely nulled, the signal to noise plus interference ratio (SINR) after precoding may be increased, thereby improving error performance. In this way, in order to maximize error performance, the MUI component with the largest power is nulled.

다음, V=0인 Case 2의 경우, 즉, DCSN-k 기법을 적용할 경우에는 Z 행렬 내의 대각 성분과 Z 행렬 내에서 선택된 k개의 열 성분을 이용하여 Φk 행렬을 얻는다.Next, in case 2 of V=0, that is, when the DCSN-k technique is applied, a Φ k matrix is obtained using the diagonal components in the Z matrix and k column components selected in the Z matrix.

이때, k=1인 DCSN-1 기법을 사용할 경우에는 atomic 행렬의 구조를 이용하여 (Φ1)-1을 낮은 복잡도로 계산하였지만, k가 증가할수록 (Φk)-1의 복잡도가 비선형적으로 증가한다.In this case, in the case of using the DCSN-1 technique with k=1, (Φ 1 ) -1 was calculated with low complexity using the structure of the atomic matrix, but as k increases, the complexity of (Φ k ) -1 becomes nonlinear. Increases.

이를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예는 V=0일 때, 셔먼 모리슨(Sherman Morrison) 공식을 이용하여 (Φk)-1을 계산한다.To solve this, in the embodiment of the present invention, when V = 0, (Φ k ) -1 is calculated using the Sherman Morrison formula.

즉, V=0일 때, 역행렬 생성부(140)는 전력 크기 순으로 선택된 k개 열 성분들 중 j번째(j={1,…,k)) 선택된 열 성분과 대각 행렬(D)을 셔먼 모리슨 공식에 적용하는 연산 동작을 j=1 부터 k까지 k회 반복하여, 초기 행렬인 Φk 행렬에 대한 역행렬 (Φk)-1을 연산한다. 즉, 셔먼 모리슨 공식을 반복적으로 사용하여 (Φk)-1을 계산한다.That is, when V=0, the inverse matrix generator 140 shermanes the j-th (j=(1,...,k)) selected column component and the diagonal matrix D among k column components selected in the order of power magnitude. The operation applied to the Morrison formula is repeated k times from j=1 to k, and the inverse matrix (Φ k ) -1 for the initial matrix Φ k is calculated. That is, iteratively uses the Sherman Morrison formula to calculate (Φ k ) -1 .

이후, 역행렬 생성부(140)는 (Φk)-1를 Z와 곱한 값((Φk)-1·Z)을 수학식 6(Z-1의 근사식)의 해당 항에 대입함으로써, Z-1을 최종 계산한다.Thereafter, the inverse matrix generator 140 substitutes a value ((Φ k ) -1 ·Z) multiplied by (Φ k ) -1 by Z into the corresponding term of Equation 6 (approximate expression of Z -1 ), and thus Z -1 is finally calculated.

Nu명의 유저와 k=K인 시스템에서, DCNS-k를 적용할 때, 셔먼 모리슨 공식을 반복적으로 사용하여 (Φk)-1을 계산하는 예시는 다음과 같다.In a system with N u users and k = K, when DCNS-k is applied, an example of calculating (Φ k ) -1 by repeatedly using the Sherman Morrison formula is as follows.

계산의 편의성을 위해, 총 K개의 열 중에서 k번째 열의 MUI 크기는 k번째로 크다고 가정한다. 먼저, m×m의 가역행렬 A와, m×1의 열벡터 u, v에 대해 Sherman Morrison 공식은 다음과 같다.For convenience of calculation, it is assumed that the MUI size of the k-th column among the total K columns is the k-th largest. First, for the reversible matrix A of m×m and the column vectors u and v of m×1, the Sherman Morrison formula is as follows.

Figure 112019085487297-pat00025
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일반적으로, 역행렬은 분배가 쉽지 않지만, 수학식 15에서 알 수 있듯이 셔면 모리슨 공식을 이용하면 분리가 용이하다. In general, the inverse matrix is not easy to distribute, but as shown in Equation 15, separation is easy using the Morrison formula.

본 발명의 실시예는 (Φk)-1를 계산하기 위해, 반복적으로 수학식 15를 사용한다. An embodiment of the present invention repeatedly uses Equation 15 to calculate (Φ k ) -1 .

이러한 수학식 15의 구조는 본 발명의 역행렬 연산에 적용 가능한 구조이다. 즉, 수학식 11의 역행렬은 수학식 16와 같이 표현될 수 있다. The structure of Equation 15 is a structure applicable to the inverse matrix operation of the present invention. That is, the inverse matrix of Equation 11 can be expressed as Equation 16.

Figure 112019085487297-pat00026
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수학식 15와 수학식 16을 대응시켜 보면, 수학식 16의 대각행렬(D)는 A에 대응하고 Ek는 uvT에 대응되는 것을 알 수 있다. When Equation 15 and Equation 16 are correlated, it can be seen that the diagonal matrix (D) of Equation 16 corresponds to A and E k corresponds to uv T.

이를 이용하면 수학식 16은 수학식 17의 형태로 표현할 수 있다.Using this, Equation 16 can be expressed in the form of Equation 17.

Figure 112019085487297-pat00027
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여기서,

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는 각각
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의 j번째 선택된 열을 나타낸다.here,
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Wow
Figure 112019085487297-pat00029
Are each
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Wow
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Represents the j-th selected column of.

본 발명의 실시예는 (Φk)-1를 계산하기 위해, 반복적으로 수학식 15를 사용하고, 가역 행렬 D에 대해 (Φ1)-1부터 반복적으로 계산한다.The embodiment of the present invention repeatedly uses Equation 15 to calculate (Φ k ) -1 , and iteratively calculates from (Φ 1 ) -1 for the reversible matrix D.

1)-1을 이용하여 동일한 방식으로 (Φ2)-1를 계산하면 다음의 수학식 18과 같다.If (Φ 1 ) -1 is used to calculate (Φ 2 ) -1 in the same manner, it is as shown in Equation 18 below.

Figure 112019085487297-pat00032
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즉, 이러한 셔먼 모리슨 방식을 k=1부터 k까지 k회 반복하면, 더욱 낮은 복잡도로 Φk 행렬에 대한 역행렬 (Φk)-1을 구할 수 있다. 이는 수학식 17과 같이 첫번째 셔먼 모리슨 공식에서 수학식 16의 A를 D로 설정할 수 있었기 때문이다.That is, if the Sherman Morrison method is repeated k times from k=1 to k, the inverse matrix (Φ k ) -1 for the Φ k matrix can be obtained with lower complexity. This is because A in Equation 16 can be set to D in the first Sherman Morrison equation as in Equation 17.

마지막으로, 대각 지배적인 행의 개수가 0보다 크고 유저의 개수보다 작은 경우(0<V<Nu; Case 3)에 대한 실시예를 설명한다.Finally, an embodiment of a case where the number of diagonally dominant rows is greater than 0 and less than the number of users (0<V<N u ; Case 3) will be described.

0<V<Nu인 경우, 제어부(130)는 Z 행렬 내에서 대각 지배적인 V개 행에 대응하여 DCNS-1 기법을 적용하고 Z 행렬 내에서 대각 지배적이지 않은 나머지 U개 행에 대해 DCNS-U 기법(k=U)을 적용한다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.When 0<V<N u , the controller 130 applies the DCNS-1 technique in response to the diagonally dominant V rows in the Z matrix, and DCNS- for the remaining U rows that are not diagonally dominant in the Z matrix. The U technique (k=U) is applied. This will be described in detail as follows.

역행렬 생성부(140)는 hybrid DCNS-1 and DCNS-U를 적용하기 위해, 우선 Z 행렬 내 각 행에 대해 대각 지배성 크기를 연산하여 대각 지배성 크기가 높은 순으로 G 행렬의 행들을 재정렬한다. 그리고, 재정렬된 GS를 이용하여 ZS 행렬(ZS=GS·GS H)을 연산한다.In order to apply the hybrid DCNS-1 and DCNS-U, the inverse matrix generator 140 first calculates a diagonal dominance size for each row in the Z matrix and rearranges the rows of the G matrix in the order of the highest diagonal dominance size. . Then, the Z S matrix (Z S =G S ·G S H ) is calculated using the rearranged G S.

i 번째 유저의 대각 지배성의 크기 di를 구하는 방법은 수학식 19와 같다.A method of obtaining the size of the i-th user's diagonal dominance d i is as shown in Equation 19.

Figure 112019085487297-pat00033
Figure 112019085487297-pat00033

예를 들어,

Figure 112019085487297-pat00034
,
Figure 112019085487297-pat00035
인 경우, Z의 첫번째 행에서 d1=5-(6+7)=2, 두 번째 행에서 d2=8-(6+3)=-1, 그리고 세 번째 행에서 d3=16-(7+3)=6이 각각 구해진다. 따라서 Z의 대각 지배성 크기 벡터 d=[d1 d2 d3]=[2 -1 6]이 된다.E.g,
Figure 112019085487297-pat00034
,
Figure 112019085487297-pat00035
If, in the first row of Z, d 1 =5-(6+7)=2, in the second row d 2 =8-(6+3)=-1, and in the third row d 3 =16-( 7+3)=6 are obtained respectively. Therefore, the diagonal dominant magnitude vector of Z becomes d=[d 1 d 2 d 3 ]=[2 -1 6].

여기서, 대각 지배성 크기가 0보다 큰 첫 번째 및 세 번째 행은 대각 지배적 행인 반면, 0 이하인 두 번째 행은 대각 지배적이지 않은 행에 해당한다. 따라서 대각 지배적인 행의 개수 V=2가 된다. 이는 0<V<Nu 조건(Case 3)에 해당하여 하이브리드 프리코딩 기법이 요구된다. Here, the first and third rows whose diagonal dominant size is greater than 0 correspond to the diagonal dominant rows, while the second row whose diagonal dominance size is greater than 0 corresponds to the non-diagonal dominant row. Hence, the number of dominant rows V=2. This corresponds to the 0<V<N u condition (Case 3), and a hybrid precoding technique is required.

또한 이러한 결과로부터 세번째 유저의 대각 지배성이 가장 크고 두 번째의 유저의 대각 지배성이 가장 낮은 것을 알 수 있다. In addition, from these results, it can be seen that the third user has the highest diagonal dominance and the second user has the lowest diagonal dominance.

대각 지배성 순서대로 G 행렬을 정렬하면

Figure 112019085487297-pat00036
이 된다. 또한 이러한 GS를 이용하여 Z 행렬을 변형하면 수학식 20이 된다.If we sort the G matrix in diagonal dominance order,
Figure 112019085487297-pat00036
Becomes. In addition, if the Z matrix is transformed using G S , Equation 20 is obtained.

Figure 112019085487297-pat00037
Figure 112019085487297-pat00037

도 4는 하이브리드 기법에서 정렬된 행렬 ZS 및 초기 행렬 Φ를 예시한 도면이다.4 is a diagram illustrating an aligned matrix Z S and an initial matrix Φ in a hybrid technique.

도 4에 나타낸 것과 같이, 역행렬 생성부(140)는 수학식 20을 통해 연산된 ZS 행렬을 V값(대각 지배적인 행의 개수)를 이용하여 4개 영역으로 분할한다. As shown in FIG. 4, the inverse matrix generator 140 divides the Z S matrix calculated through Equation 20 into four regions using V values (the number of diagonally dominant rows).

즉, 도 4에서 ZS 행렬은 값을 기준으로 좌상단부터 좌하단까지 시계방향으로 각각 V×V의 D1 행렬, V×U의 E1 행렬, U×U의 D2 행렬, 그리고 U×V의 D2 행렬로 분리된 것을 알 수 있다. 여기서 U=Nu-V로서, 대각 지배적이지 않은 행의 개수에 대응한다.That is, in FIG. 4, the Z S matrix is a D 1 matrix of V×V, an E 1 matrix of V×U, a D 2 matrix of U×U, and U×V in a clockwise direction from top left to bottom left based on values. It can be seen that the D 2 matrix is separated. Here, U=N u -V, which corresponds to the number of non-dominant rows diagonally.

앞서 제시한 Nu=3, V=2인 상황은 설명의 편의상 제안한 매우 간단한 예시에 해당하므로, Nu=20, V=5인 경우를 예를 들면, ZS 행렬은 5×5 크기의 D1 행렬, 5×15 크기의 E1 행렬, 15×15 크기의 D2 행렬, 그리고 15×5 크기의 D2 행렬로 분리될 것이다. The situation of N u =3 and V = 2 presented above corresponds to a very simple example proposed for convenience of explanation. For example, for the case of N u =20 and V = 5, the Z S matrix is a 5×5 D It will be split into 1 matrix, 5×15 E 1 matrix, 15×15 D 2 matrix, and 15×5 D 2 matrix.

이후, 역행렬 생성부(140)는 D1 행렬에 DCNS-1 기법을 적용하여 (D1)-1 행렬을 얻고, D2 행렬에 DCNS-U 기법을 적용하여 (D2)-1 행렬을 얻은 후, (D1)-1, (D2)-1, E1 및 E2 행렬을 아래 수학식 21에 대입하여 ZS의 역행렬인 ZS -1을 계산한다.Then, the inverse matrix generator 140 to apply the DCNS-1 Method D 1 to obtain a matrix (D 1) -1 matrix, obtained by (D 2) -1 matrix by applying the technique to the U-DCNS D 2 matrix and then, (D 1) -1, ( D 2) -1, by substituting the E 1 and E 2 equation (21) below the matrix to calculate the Z S -1 is the inverse matrix of Z S.

Figure 112019085487297-pat00038
Figure 112019085487297-pat00038

여기서 물론, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬을 나타낸다. Here, of course, L is the length of LS, and I i is an i×i identity matrix.

즉, 수학식 21에서 ZS -1을 구하기 위해서는 (D1)-1과 (D2)-1를 계산해야 한다.That is, in order to obtain Z S -1 in Equation 21, (D 1 ) -1 and (D 2 ) -1 must be calculated.

이를 위해, 도 4의 Φ 행렬을 참조하면, 역행렬 생성부(140)는 수학식 21의 ZS -1의 계산을 위하여, 수학식에 포함된 Φ 행렬에 대한 4개 영역에 대응하여, 각각 D1 행렬, 영행렬, D2 행렬, 영행렬을 할당(설정)한 것을 알 수 있다. To this end, referring to the Φ matrix of FIG. 4, the inverse matrix generator 140 corresponds to the four regions of the Φ matrix included in the equation for calculation of Z S -1 in Equation 21, and each D It can be seen that 1 matrix, zero matrix, D 2 matrix, and zero matrix are allocated (set).

이때, 도 4의 Φ 행렬 내 D1 행렬에 대한 역행렬 (D1)-1을 연산할 때는 DCNS-1 기법을 적용한다. 예를 들어, 앞서 Z의 역행렬을 구하는 방법과 유사하게, 먼저 D1 행렬에 대한 대각 행렬 D과 최대 전력을 가진 하나의 열 성분을 조합하여 행렬 Φ1을 구성한 다음, 수학식 13, 14의 방법으로 Φ1의 역행렬인 (Φ1)-1을 연산하고, 이를 다시 D1과 곱한 D1·(Φ1)-1 계산한다. 그리고, D1·(Φ1)-1를 수학식 6의 해당 항에 대입(Z 대신 D1으로 대치)함으로써, Z의 역행렬을 구한 방법과 같이 D1의 역행렬인 D1 -1을 연산할 수 있다.At this time, when calculating the inverse matrix (D 1 ) -1 for the D 1 matrix in the Φ matrix of FIG. 4, the DCNS-1 technique is applied. For example, similar to the method of obtaining the inverse matrix of Z above, first, the diagonal matrix D for the D 1 matrix and one column component having the maximum power are combined to form a matrix Φ 1, and then the method of Equations 13 and 14 the inverse matrix of (Φ 1) computation of -1, and this product of D 1 and D 1 · again (Φ 1) Φ 1 -1 of the Calculate. And, D 1 · (Φ 1) by substituting a -1 in the term of Equation 6 (Z instead replaced with D 1), to compute the inverse of the D 1 -1 D 1 in such a way obtaining the inverse matrix of Z I can.

또한, 도 4의 Φ 행렬 내 D2 행렬에 대한 역행렬 (D2)-1을 연산할 때는 DCNS-U 기법(k=U)을 적용하면 된다. 즉, 앞서 상술한 DCNS-k 기법에서 k=U를 적용하고, 수학식 15에 언급한 셔먼 모리스 공식을 이용하여 D2의 역행렬인 D2 -1을 연산한다.In addition, when calculating the inverse matrix (D 2 ) -1 for the D 2 matrix in the Φ matrix of FIG. 4, the DCNS-U technique (k=U) may be applied. That is, the computation of the inverse matrix of D 2 D 2 -1 using the above-described prior-k DCNS applying k = U in technique, and a Sherman, Morris formula referred to in equation (15).

이와 같이, 재정렬된 ZS에서 D1은 대각 지배적인 행들에 대응하므로 D1-1을 구하기 위해 DCNS-1을 이용하여 낮은 복잡도로 높은 오류 성능을 얻고, D2는 그렇지 않은 행들에 대응하므로 D-2을 구하기 위해 DCNS-U를 이용하여 대각 지배적이지 않은 시스템에서도 DNS의 오류 성능을 개선한다.In this way, in the rearranged Z S , D1 corresponds to the diagonally dominant rows, so DCNS-1 is used to obtain D1 -1 to obtain high error performance with low complexity, and D2 corresponds to rows that do not correspond to D -2 . To find out, DCNS-U is used to improve DNS error performance even in systems that are not dominant.

위와 같이 V에 따라 적응적으로 프리코딩 기법을 달리하여 수학식 6과 같이 gram 행렬의 역행렬 Z-1을 구할 수 있다.As described above, by adaptively varying the precoding technique according to V, the inverse matrix Z -1 of the gram matrix can be obtained as shown in Equation 6.

또한, 수학식 4와 같이 Z-1의 좌측에 GH를 곱하는 MF(Matched Filter)를 통과함으로서 본 발명에서 제시한 기법의 알고리즘을 종료한다.In addition, the algorithm of the technique proposed in the present invention is terminated by passing through a Matched Filter (MF) that multiplies G H to the left of Z -1 as shown in Equation 4.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프리코딩 방법의 개략적인 순서도이다.5 is a schematic flowchart of a precoding method according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 프리코딩 장치(100)는 먼저 채널 행렬 G를 이용하여 Z(gram 행렬)를 구한다(S501). 그리고, Z 행렬에서 대각 지배적인 행의 수(V)를 연산하고(S502), 유저의 수(Nu)와 비교한다(S503). Referring to FIG. 5, the precoding apparatus 100 first obtains Z (gram matrix) by using the channel matrix G (S501). Then, the number (V) of diagonally dominant rows in the Z matrix is calculated (S502), and compared with the number of users (N u ) (S503).

비교 결과, V=Nu이면 DCNS-1 기법을 적용하여 (Φ1)-1을 구한 다음(S504), (Φ1)-1을 수학식 6의 Φ항에 대입하여 Z-1을 연산하고(S505), 연산한 Z-1을 GH와 곱하여 수학식 4와 같이 프리코딩 행렬(W)을 최종 생성한다(S506).As a result of comparison, if V=N u , (Φ 1 ) -1 is obtained by applying the DCNS-1 technique (S504), and then Z -1 is calculated by substituting (Φ 1 ) -1 into the Φ term of Equation 6 (S505), the calculated Z -1 is multiplied by G H to finally generate a precoding matrix W as shown in Equation 4 (S506).

S503 단계의 비교 결과, V=Nu이 아닌 경우에는, V=0인지 판단한다(S507). 만일 V=0이면, k=0, Φk=D로 초기 설정한 후(S508)에, DCNS-k 기법을 적용하여 (Φk)-1을 구한다(S509). S509 과정의 경우 k를 1부터 하나씩 증가시키면서 셔먼 모리스 공식을 반복 사용하여 (Φk)-1를 최종 연산한다. 이후, 연산한 (Φk)-1을 수학식 6의 Φ 항에 대입하여 Z-1을 연산 후(S510), Z-1을 GH와 곱하여 수학식 4와 같이 프리코딩 행렬(W)을 최종 생성한다(S511).There is not a comparison result of the step S503, V = N u, it is determined whether V = 0 (S507). If V=0, after initial setting of k=0 and Φ k =D (S508), (Φ k ) -1 is obtained by applying the DCNS-k technique (S509). In the case of S509 process, (Φ k ) -1 is finally calculated by repeatedly using the Sherman Morris formula while increasing k from 1 by one. Thereafter, the calculated (Φ k ) -1 is substituted into the Φ term in Equation 6 to calculate Z -1 (S510), and then Z -1 is multiplied by G H to obtain the precoding matrix (W) as shown in Equation 4. It is finally generated (S511).

그리고, S507 단계의 비교 결과, V=0이 아닌 경우에는 대각 지배성 크기에 따라 Z를 재정렬한 ZS를 얻은 후 DCNS-1과 DCNS-U의 하이브리드 기법을 이용하여 수학식 21을 통해 Z-1을 바로 연산한다(S512). 그리고, 수학식 4와 같이 Z-1을 GH와 곱하여 프리코딩 행렬(W)을 최종 생성한다(S513).Then, the comparison result of the S507 step, V = 0 If not a there through Equation (21) using the hybrid technique of DCNS-1 and DCNS-U after obtaining the Z S by reordering the Z along a diagonal dominant sex size Z - 1 is immediately calculated (S512). Then, Z -1 is multiplied by G H as shown in Equation 4 to finally generate a precoding matrix W (S513).

다음은 본 발명에서 제안한 기법의 성능을 모의 실험한 결과를 설명한다. The following describes the results of a simulation of the performance of the technique proposed in the present invention.

도 6은 기존의 기법과 본 발명이 제시한 기법에서 Z-1을 계산하기 위해 요구되는 곱셈 연산량을 나타낸 도면이다.6 is a diagram illustrating a multiplication amount required to calculate Z -1 in the conventional technique and the technique proposed by the present invention.

도 6에서 곱셈 연산량 계산시 두 복소수의 곱셈은 한 번의 곱셈 연산을 요구한다고 가정하였다. 그리고 대용량 MIMO 시스템의 복잡도는

Figure 112019085487297-pat00039
에 비례하므로 표현의 편의성을 위해 최종 복잡도 식에서 상수값은 제외하였다. In FIG. 6, it is assumed that multiplication of two complex numbers requires one multiplication operation when calculating the multiplication operation amount. And the complexity of the large-capacity MIMO system is
Figure 112019085487297-pat00039
Since it is proportional to, the constant value was excluded from the final complexity equation for convenience of expression.

또한, 기존의 기법과 본 발명에서 제시한 기법 모두 프리코딩 행렬을 구할 때, Z-1을 구하는 방식만 다르고 나머지 방식은 모두 동일하므로 도 6에서는 Z-1을 계산하기 위해 요구되는 곱셈 연산량만 고려하였다.In addition, when both the conventional method and the method proposed in the present invention obtain a precoding matrix, only the method of obtaining Z -1 is different and all other methods are the same, so in FIG. 6 only the amount of multiplication required to calculate Z -1 is considered. I did.

도 6의 결과에서, 기존 ZF 기법이 가장 높은 복잡도를 가지며 DNS 기법이 가장 낮은 복잡도를 나타낸다. ZF 기법 다음으로는 Case 2에 사용된 DCNS-k 기법의 복잡도가 높고, 그 다음으로는 Case 3에 사용된 하이브리드 기법, Case 1에 사용된 DCNS-1 순으로 복잡도가 높은 것을 알 수 있다.In the results of FIG. 6, the existing ZF scheme has the highest complexity and the DNS scheme has the lowest complexity. It can be seen that the complexity of the DCNS-k technique used in Case 2 is high after the ZF technique, followed by the hybrid technique used in Case 3, and the DCNS-1 used in Case 1.

도 7 내지 도 13은 본 발명에서 제시한 기법의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.7 to 13 are diagrams showing simulation results of the technique proposed in the present invention.

모든 시뮬레이션에서 Nt=200으로 설정하였고, 채널은 평균이 0이고 분산이 1인 레일리 분포로 모델링하였고, 모든 유저는 평균이 0이고 분산이 1인 AWGN을 발생하도록 설정하였다. 그리고 무선 채널의 coherence interval이 충분히 큰 TDD(Time Division Duplex) 시스템을 가정하여, 상향링크와 하향링크의 채널은 완벽한 calibration을 통해 서로 전치 관계가 성립한다. In all simulations, N t =200 was set, and the channel was modeled as a Rayleigh distribution with an average of 0 and a variance of 1, and all users were set to generate an AWGN with an average of 0 and a variance of 1. In addition, assuming a time division duplex (TDD) system in which the coherence interval of the radio channel is sufficiently large, the uplink and downlink channels are transposed with each other through perfect calibration.

즉, 하향링크 채널 추정을 위해 모든 유저들은 상향링크 파일럿을 기지국으로 전송하고, 기지국에서는 이를 추정하여 해당 값을 프리코딩 채널 계수로 사용한다. That is, for downlink channel estimation, all users transmit an uplink pilot to the base station, and the base station estimates it and uses the corresponding value as a precoding channel coefficient.

또한, 인접 셀에서 파일럿 오염으로 인한 오류 성능 열화를 최소화하기 위해서는 파일럿 시퀀스의 길이

Figure 112019085487297-pat00040
가 유저수와 같아야하므로
Figure 112019085487297-pat00041
로 설정하였다. 상향링크 파일럿 수신 신호는 다음과 같다.In addition, in order to minimize the error performance degradation due to pilot contamination in adjacent cells, the length of the pilot sequence
Figure 112019085487297-pat00040
Should be equal to the number of users
Figure 112019085487297-pat00041
Was set to. The uplink pilot received signal is as follows.

Figure 112019085487297-pat00042
Figure 112019085487297-pat00042

여기서,

Figure 112019085487297-pat00043
는 유저 송신 전력으로 본 시뮬레이션에서는 기지국 송신 전력
Figure 112019085487297-pat00044
보다 3dB 낮은 전력으로 설정하였다. 그리고
Figure 112019085487297-pat00045
Figure 112019085487297-pat00046
를 만족하는
Figure 112019085487297-pat00047
의 직교 파일럿 시퀀스 행렬,
Figure 112019085487297-pat00048
는 모든 원소가 평균이 0이고 분산이 1인
Figure 112019085487297-pat00049
의 AWGN이다. 기지국에서 추정된 채널 행렬은 다음과 같다.here,
Figure 112019085487297-pat00043
Is the user transmit power, and in this simulation, the base station transmit power
Figure 112019085487297-pat00044
It was set to 3dB lower power. And
Figure 112019085487297-pat00045
Is
Figure 112019085487297-pat00046
Satisfying
Figure 112019085487297-pat00047
Orthogonal pilot sequence matrix of,
Figure 112019085487297-pat00048
Is that all elements have a mean of 0 and a variance of 1
Figure 112019085487297-pat00049
Is AWGN. The channel matrix estimated by the base station is as follows.

Figure 112019085487297-pat00050
Figure 112019085487297-pat00050

여기서,

Figure 112019085487297-pat00051
는 변형된 AWGN이다.here,
Figure 112019085487297-pat00051
Is the modified AWGN.

이론적인 채널 추정 MSE를 구하기 위해서는

Figure 112019085487297-pat00052
의 MSE를 계산해야 한다. 그렇지만,
Figure 112019085487297-pat00053
의 각 성분들은 모두 독립적이므로
Figure 112019085487297-pat00054
의 i행 및 j열인
Figure 112019085487297-pat00055
의 MSE를 계산하여도 무방하고, 이는 다음과 같다.To find the theoretical channel estimation MSE
Figure 112019085487297-pat00052
The MSE of should be calculated. nevertheless,
Figure 112019085487297-pat00053
Since each component of is all independent
Figure 112019085487297-pat00054
Row i and column j of
Figure 112019085487297-pat00055
It is okay to calculate the MSE of, which is as follows.

Figure 112019085487297-pat00056
Figure 112019085487297-pat00056

도 7은 200×10, 200×20, 200×30 대용량 MIMO 시스템에서 채널 추정 MSE(Mean Square Error) 성능을 나타낸 도면이다. 여기서, MSE 값이 높을수록 성능이 나쁜 것을 의미한다.7 is a diagram showing channel estimation MSE (Mean Square Error) performance in a 200×10, 200×20, and 200×30 large-capacity MIMO system. Here, the higher the MSE value, the worse the performance.

도 7에서 유저 수에 관계없이 이론적인 결과(Theory)는 시뮬레이션 결과(Monte Carlo)와 동일하다. 그리고 유저 수가 증가할수록 MSE 성능이 우수한데, 이는 유저 수가 증가할수록 파일럿의 길이가 증가하고, 수학식 22에서처럼 송신 전력은 파일럿의 길이에 비례하기 때문이다.In FIG. 7, the theoretical result (Theory) is the same as the simulation result (Monte Carlo) regardless of the number of users. In addition, as the number of users increases, the MSE performance is excellent, because the length of the pilot increases as the number of users increases, and the transmission power is proportional to the length of the pilot as shown in Equation 22.

도 8은 유저 수에 따른 DCNS-1, DCNS-k, hybrid DCNS-1 and DCNS-U의 사용 빈도를 나타낸 도면이다. 가로축은 유저의 수(Nu), 세로축은 이용률(%)을 의미한다.8 is a diagram showing the frequency of use of DCNS-1, DCNS-k, hybrid DCNS-1 and DCNS-U according to the number of users. The horizontal axis represents the number of users (N u ), and the vertical axis represents the utilization rate (%).

도 8의 결과에서 Nu≤13일 때, 대용량 MIMO 시스템이 거의 대부분 대각 지배적이므로 본 발명에서 제시한 기법은 평균 90% 이상의 비율로 DCNS-1을 선택한다. 이는 유저가 적을수록 간섭이 적기 때문에 DCNS-1 기법으로도 충분한 것을 의미한다.In the result of FIG. 8, when N u ≤ 13, the large-capacity MIMO system is almost dominant, so the scheme proposed in the present invention selects DCNS-1 at an average ratio of 90% or more. This means that the fewer users there is less interference, so the DCNS-1 technique is sufficient.

그리고 14≤Nu≤20일 때, 대용량 MIMO 시스템이 부분적으로 대각 지배적이므로 본 발명에서 제시한 기법은 평균 90% 이상의 비율로 hybrid DCNS-1 and DCNS-U를 선택한다. And when u 14≤N ≤20 days, large MIMO system is, in part, because it is a diagonal dominant select hybrid DCNS-1 and U-DCNS a technique is to average ratio of 90% or more in the present invention.

마지막으로 Nu≥21일 때, 대용량 MIMO 시스템이 거의 대각 지배적이지 않으므로 본 발명에서 제시한 기법은 평균 85% 이상의 비율로 DCNS-k를 선택한다. 도 8과 같이 유저 수에 따른 프리코딩 선택 빈도는 도 9 내지 도 13의 결과에 대한 이해를 돕는다.Finally, when N u ≥21, since the large-capacity MIMO system is hardly dominant, the scheme proposed in the present invention selects DCNS-k at an average ratio of 85% or more. As shown in FIG. 8, the frequency of precoding selection according to the number of users helps understanding the results of FIGS. 9 to 13.

도 11 내지 도 13에서는 BER 측정을 위해 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)와 16-QAM 변조를 사용하였다. 그리고 유저 수는 각각 10, 20, 30으로 설정하였는데, 이는 도 7의 결과에서처럼 본 발명의 성능 측정을 위한 유의미한 유저 구간은 9 ~ 27이기 때문이다. In FIGS. 11 to 13, Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and 16-QAM modulation were used to measure BER. In addition, the number of users was set to 10, 20, and 30, respectively, because, as shown in the result of FIG. 7, significant user intervals for measuring the performance of the present invention are 9 to 27.

즉, 유저수가 8 이하일 때는 DCNS-1이 선택되고, 28 이상일 때는 DCNS-k가 선택됨을 쉽게 유추할 수 있기 때문이다. 또한, 기지국 송신 전력은 -10dB부터 10dB로 설정하였는데, 이는 에너지 고효율을 추구하는 대용량 MIMO 시스템에서 적절한 송신 전력이기 때문이다. 본 발명의 다양한 성능을 보이기 위해 DCNS-K에서

Figure 112019085487297-pat00057
Figure 112019085487297-pat00058
로 설정하였다. That is, it is easy to infer that DCNS-1 is selected when the number of users is 8 or less, and DCNS-k is selected when the number of users is 28 or more. In addition, the base station transmission power is set from -10dB to 10dB, because this is an appropriate transmission power in a large-capacity MIMO system pursuing energy efficiency. In DCNS-K to show various performances of the present invention
Figure 112019085487297-pat00057
Wow
Figure 112019085487297-pat00058
Was set to.

도 9는 200×10 대용량 MIMO 시스템에서 기존의 기법과 본 발명에서 제시한 기법의 BER (Bit Error Rate) 성능을 나타낸 도면이다. 이는 유저가 10명일 때의 성능을 나타낸다.9 is a diagram showing BER (Bit Error Rate) performance of a conventional technique and a technique proposed in the present invention in a 200×10 large-capacity MIMO system. This shows the performance when there are 10 users.

도 9에서 QPSK를 사용한 기존의 DNS와 본 발명에서 제시한 기법은 거의 동일한 BER 성능을 지니며, 최적의 ZF의 BER 성능과도 거의 유사하다. 이는 도 8의 결과에서 Nu=10일 때, 대용량 MIMO 시스템이 완전히 대각 지배적이기 때문이다. 이때에는 DCNS-1만 사용되므로 변조 차수에 관계없이 K의 증가에 따라 BER 성능이 개선되지 않는다. In FIG. 9, the existing DNS using QPSK and the scheme proposed in the present invention have almost the same BER performance, and are almost similar to the optimal ZF BER performance. This is because when N u =10 in the result of FIG. 8, the large-capacity MIMO system completely dominates diagonally. In this case, since only DCNS-1 is used, BER performance does not improve as K increases regardless of the modulation order.

그렇지만, 16-QAM을 사용한 DNS는 ZF의 BER 성능 대비 열화가 발생하였지만, 본 발명에서 제시한 기법은 가장 큰 MUI를 지니는 유저를 nulling 시키기 때문에 DNS보다 열화 정도가 더 적다.However, DNS using 16-QAM suffered a deterioration compared to the BER performance of ZF, but the technique proposed in the present invention nulls the user with the largest MUI, so the degree of deterioration is less than that of DNS.

도 10은 200×20 대용량 MIMO 시스템에서 기존의 기법과 본 발명에서 제시한 기법의 BER 성능을 나타낸 도면이고, 도 11은 200×30 대용량 MIMO 시스템에서 기존의 기법과 본 발명에서 제시한 기법의 BER 성능을 나타낸 도면이다. 즉, 도 10은 유저가 20명인 경우(Nu=20)이고 도 11은 유저가 30명인 경우(Nu=30)이다.FIG. 10 is a diagram showing the BER performance of the conventional scheme and the scheme proposed in the present invention in a 200 × 20 large-capacity MIMO system. FIG. 11 is a BER performance of the conventional scheme and the scheme proposed in the present invention in a 200 × 30 large-capacity MIMO system. It is a diagram showing the performance. That is, FIG. 10 shows a case of 20 users (N u =20) and FIG. 11 shows a case of 30 users (N u =30).

도 10과 도 11에서도 변조 차수에 따라 DNS와 본 발명에서 제시한 기법의 BER 성능이 도 9과 유사한 패턴을 지닌다. 그렇지만, 도 9의 결과에 비해, DNS는 ZF의 BER 성능 대비 그 열화가 더 커졌는데, 이는 도 10 및 도 11의 결과에서 Nu=20 및 Nu=30일 때, 대용량 MIMO 시스템이 각각 부분적으로 대각 지배적이고 완전히 대각 지배적이지 않기 때문이다. 도 10 및 도 11의 결과에서 본 발명의 실시예는 도 9의 결과와 달리 K의 증가에 따라 BER 성능이 개선된다. 이와 같이 본 발명의 실시예의 기법은 유저의 수가 많아질수록 더욱 성능이 부각되는 것을 알 수 있다.In FIGS. 10 and 11, the DNS and BER performance of the scheme proposed in the present invention have a pattern similar to that of FIG. 9 according to the modulation order. However, compared to the result of FIG. 9, the deterioration of the DNS compared to the BER performance of ZF was greater. This is when N u =20 and N u =30 in the results of Figs. 10 and 11, the large-capacity MIMO system is partially This is because they are diagonally dominant and not completely diagonally dominant. In the results of FIGS. 10 and 11, unlike the results of FIG. 9, the BER performance is improved as K increases. As described above, it can be seen that the performance of the technique of the embodiment of the present invention is more prominent as the number of users increases.

도 12는 200×20과 200×30 대용량 MIMO 시스템에서 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조를 사용할 때, 본 발명에서 제시한 기법의 nulling 유저 선택에 따른 BER 성능을 나타낸 도면이다. 도 12에서 No-selection 방식은 K개의 열을 선택 시에 전력의 크기를 고려한 본 발명과는 달리, 단순히 랜덤하게 선택한 경우를 나타낸다. 도 12에서는 nulling 유저 선택 유무에 따라 BER 성능이 차이가 남을 볼 수 있다. Nulling 유저 선택의 복잡도는 매우 낮기 때문에 이러한 BER 성능 개선은 매우 유의미한 결과이다.FIG. 12 is a diagram showing BER performance according to nulling user selection of the scheme proposed in the present invention when 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulation is used in 200×20 and 200×30 large-capacity MIMO systems. In FIG. 12, the No-selection scheme represents a case of simply selecting randomly, unlike the present invention in which the magnitude of power is considered when selecting K columns. In FIG. 12, it can be seen that the difference in BER performance remains depending on whether or not a nulling user is selected. Since the complexity of nulling user selection is very low, this improvement in BER performance is a very significant result.

도 13은 유저 수에 따라 기존의 기법과 본 발명의 곱셈 연산량을 나타낸 도면이다. 도 13에서는 유저 수에 관계없이 본 발명에서 제시한 기법의 복잡도는 기존의 ZF보다 항상 작다.13 is a diagram showing an existing technique and a multiplication amount of the present invention according to the number of users. In FIG. 13, regardless of the number of users, the complexity of the technique proposed in the present invention is always smaller than that of the conventional ZF.

한편, Nu=10일 때, 본 발명에서 제시한 기법의 복잡도는 기존의 DNS의 복잡도와 거의 유사한데, 도 9에서처럼 대용량 MIMO 시스템이 대각 지배적이기 때문이다. On the other hand, when N u =10, the complexity of the scheme proposed in the present invention is almost similar to that of the existing DNS, because a large-capacity MIMO system is dominant diagonally as shown in FIG. 9.

그러나 Nu>10일 때는 유저 수가 증가할수록 DNS의 복잡도보다 더욱 커지는데, 이는 유저 수가 많을 때 본 발명의 기법은 BER 성능 열화를 막기 위해 hybrid DCNS-1 and DCNS-U와 DCNS-K의 선택 빈도를 높이기 때문이다. However, when N u >10, as the number of users increases, the complexity of the DNS increases more than the complexity of the DNS.This means that when the number of users is large, the method of the present invention selects hybrid DCNS-1 and DCNS- U and DCNS- K to prevent degradation of BER performance. Because it increases

비록 Nu>10일 때 본 발명에서 제시한 기법의 복잡도가 DNS의 복잡도보다 높지만,

Figure 112019085487297-pat00059
일 때의 복잡도 증가는 도 10 내지 도 11에서 보인 BER 성능 개선 대비 크지 않음을 알 수 있다.Although the complexity of the scheme proposed in the present invention is higher than that of DNS when N u >10,
Figure 112019085487297-pat00059
It can be seen that the increase in complexity when is not much compared to the improvement in BER performance shown in FIGS. 10 to 11.

이상과 같은 본 발명은 하향링크 대용량 MIMO 시스템에서 NS를 이용한 근사적 ZF 프리코딩 기법을 제공한다. 기존의 DNS 프리코딩은 매우 낮은 복잡도를 지지만 상관도가 높은 대용량 MIMO 시스템에서는 DNS의 오류 성능은 매우 열악하며 이는 기지국 송신 전력과 NS의 길이를 증가시켜도 해결하기 어렵다. The present invention as described above provides an approximate ZF precoding technique using NS in a downlink large-capacity MIMO system. Existing DNS precoding has a very low complexity, but in a large-capacity MIMO system with a high correlation, the error performance of DNS is very poor, which is difficult to solve even by increasing the transmission power of the base station and the length of the NS.

하지만 본 발명의 실시예는 대용량 MIMO 시스템의 대각 지배성에 따라 적응적으로 프리코딩 기법을 선택함으로써, 상관도가 높은 대용량 MIMO 시스템에서도 높은 오류 성능을 지닌다. 여기서, 대용량 MIMO 시스템의 대각 지배적인 유저 수(V)에 따라 DCNS-1, DCNS-K, hybrid DCNS-1 and DCNS-U를 적응적으로 선택한다. However, the embodiment of the present invention has high error performance even in a large-capacity MIMO system with high correlation by adaptively selecting a precoding technique according to the diagonal dominance of the large-capacity MIMO system. Here, DCNS-1, DCNS-K, hybrid DCNS-1 and DCNS-U are adaptively selected according to the number of users (V) that dominate the large-capacity MIMO system.

즉, V=Nu일 때에는 모든 유저가 대각 지배적이므로 낮은 복잡도를 지니는 DCNS-1을 사용하고, V=0일 때에는 모든 유저가 대각 지배적이지 않으므로 오류 성능 개선을 위해 DCNS-k를 사용하고, 0<V<Nu일 때는 대각 지배적인 유저에게 DCNS-1을 적용하고, 대각 지배적이지 않은 유저에게는 DCNS-U를 적용한다. 그리고, DCNS-k의 오류 성능 개선을 위해 가장 큰 MUI를 지니는 k명의 유저를 선택하여 완전히 nulling 시킨다. In other words, when V=N u , all users are diagonally dominant, so DCNS-1 with low complexity is used, and when V=0, all users are not diagonally dominant, so DCNS-k is used to improve error performance. When <V<N u , DCNS-1 is applied to the diagonally dominant user, and DCNS-U is applied to the diagonally non-dominant user. And, in order to improve the error performance of DCNS-k, k users with the largest MUI are selected and completely nulled.

시뮬레이션 결과로부터 본 발명에서 제시한 기법은 상관도가 높은 대용량 MIMO 시스템에서도 낮은 복잡도를 지니면서 기존의 DNS보다 매우 높은 BER 성능을 지니면서 최적의 ZF에 근사한 BER 성능을 지님을 확인할 수 있었다.From the simulation results, it was confirmed that the technique proposed in the present invention has a low complexity even in a high-correlation large-capacity MIMO system, has a BER performance that is much higher than that of the existing DNS, and has a BER performance that is close to the optimal ZF.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 채널 간 상관도가 높은 대용량 MIMO 시스템에서 효율적 프리코딩을 위해 유저들의 대각 지배성에 따라 적응적으로 프리코딩을 수행함으로써 기존의 ZF 프리코딩 기법보다 매우 낮은 복잡도를 가지면서 유사한 오류 성능을 제공함은 물론 기존의 DNS 프리코딩 기법보다 오류 성능을 개선할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention as described above, for efficient precoding in a large-capacity MIMO system with high correlation between channels, precoding is adaptively performed according to the diagonal dominance of users, while having a much lower complexity than the conventional ZF precoding technique. In addition to providing similar error performance, it has the advantage of improving error performance over existing DNS precoding techniques.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are only exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10: 기지국 20: 유저
100: 프리코딩 장치 110: 행렬 생성부
120: 비교부 130: 제어부
140: 역행렬 생성부 150: 프리코딩 행렬 생성부
10: base station 20: user
100: precoding device 110: matrix generator
120: comparison unit 130: control unit
140: inverse matrix generator 150: precoding matrix generator

Claims (20)

대용량 MIMO 시스템에서 기지국에 적용되는 프리코딩 장치에 있어서,
상기 기지국과 복수의 유저 사이의 채널 행렬(G)을 기초로 Z 행렬(Z=G·GH)을 연산하는 행렬 생성부;
상기 Z 행렬에서 대각 지배적인 행의 개수(V; 0≤V≤Nu)를 구하고 상기 대각 지배적인 행의 개수(V)를 상기 유저의 개수(Nu)와 비교하는 비교부;
비교 결과를 기초로 상기 Z 행렬 내에서 1개의 열 성분만 선택하거나, 설정 개수(k개; 1<k<Nu)의 열 성분을 선택하는 제어부;
상기 Z 행렬에서 대각 성분만을 취한 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 NS(Neumann Series)의 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, 상기 Φ 행렬을 NS 기반의 Z-1의 근사식에 대입하여 Z-1을 계산하는 역행렬 생성부; 및
상기 연산된 Z-1에 GH를 곱하여 프리코딩 행렬을 생성하는 프리코딩 행렬 생성부를 포함하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
In a precoding apparatus applied to a base station in a large-capacity MIMO system,
A matrix generator for calculating a Z matrix (Z=G·G H ) based on a channel matrix G between the base station and a plurality of users;
A comparison unit that calculates the number of diagonally dominant rows (V; 0≤V≤N u ) in the Z matrix and compares the number of diagonally dominant rows (V) with the number of users (N u );
A control unit for selecting only one column component or a set number (k; 1<k<N u ) of column components in the Z matrix based on a comparison result;
The Φ matrix, which is the initial matrix of NS (Neumann Series), is obtained by combining the selected column components to the diagonal matrix (D) taking only the diagonal components from the Z matrix, and substituting the Φ matrix into the approximate formula of NS-based Z -1 An inverse matrix generator for calculating Z -1 ; And
A precoding apparatus for a downlink large-capacity MIMO system comprising a precoding matrix generator that multiplies the calculated Z -1 by G H to generate a precoding matrix.
청구항 1에 있어서,
상기 Z-1을 계산하기 위한 NS 기반의 Z-1의 근사식과 그 수렴 조건은 아래 수학식으로 정의되는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치:
Figure 112019085487297-pat00060

Figure 112019085487297-pat00061

여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬, Oi는 i×i 영행렬을 나타낸다.
The method according to claim 1,
Approximate expression and the convergence condition of the NS-based Z -1 for computing the Z -1 is a pre-coding device for the downlink MIMO system capacity is defined by the equation below:
Figure 112019085487297-pat00060

Figure 112019085487297-pat00061

Here, L is the length of LS, I i is an i×i identity matrix, and O i is an i×i zero matrix.
청구항 1에 있어서,
상기 역행렬 생성부는,
상기 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 상기 Φ 행렬을 구한 후 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음,
상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
The method according to claim 1,
The inverse matrix generator,
After obtaining the Φ matrix by combining the selected column components with the diagonal matrix (D), the inverse matrix Φ -1 is calculated,
Pre-coding device for the downlink MIMO system capacity by substituting the Φ -1 Z and the multiplied value (Φ -1 · Z) of the corresponding term of the approximate equation of the Z -1 for calculating the Z -1.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 열 성분의 선택 시에, 상기 Z 행렬 내의 각 열 중에서 전력이 높은 순서로 선택하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
The method according to claim 1,
The control unit,
When selecting the column component, a precoding apparatus for a downlink large-capacity MIMO system that selects each column in the Z matrix in order of high power.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수와 동일한 경우(V=Nu), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 최대 전력을 가지는 1개의 열 성분을 선택하는 DCNS(Diagonal plus Column NS)-1 기법을 적용하고,
상기 대각 지배적인 행의 개수가 0개인 경우(V=0), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 전력 크기가 높은 순으로 k개의 열 성분을 선택하는 DCNS-k 기법을 적용하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
The method according to claim 1,
The control unit,
When the number of diagonally dominant rows is the same as the number of users (V=N u ), selecting one column component having the maximum power from each column in a state in which all the diagonal components in the Z matrix are treated as 0 DCNS (Diagonal plus Column NS)-1 technique is applied,
When the number of diagonally dominant rows is 0 (V=0), DCNS-k selects k column components in the order of power magnitude among each column in a state in which all the diagonal components in the Z matrix are treated as 0 A precoding device for a downlink large-capacity MIMO system to which the technique is applied.
청구항 5에 있어서,
상기 역행렬 생성부는,
상기 V=Nu인 경우, 상기 선택된 1개의 열 성분을 상기 대각 행렬(D)에 결합하여 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, Φ 행렬을 다시 대각 행렬(D)과 atomic 행렬로 분리한 결과를 이용하여 Φ의 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음,
상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
The method of claim 5,
The inverse matrix generator,
In the case of V=N u , the selected one column component is combined with the diagonal matrix (D) to obtain an initial matrix Φ matrix, and the result of dividing the Φ matrix into a diagonal matrix (D) and an atomic matrix is used. And calculate Φ -1 , which is the inverse matrix of Φ,
Pre-coding device for the downlink MIMO system capacity by substituting the Φ -1 Z and the multiplied value (Φ -1 · Z) of the corresponding term of the approximate equation of the Z -1 for calculating the Z -1.
청구항 5에 있어서,
상기 역행렬 생성부는,
상기 V=O인 경우, 상기 k개 열 성분들 중 j번째(j={1,…,k)) 선택된 열 성분과 상기 대각 행렬(D)을 셔먼 모리슨(Sherman Morrison) 공식에 적용하는 연산 동작을 j=1 부터 k까지 k회 반복하여, 초기 행렬인 Φk 행렬에 대한 역행렬 (Φk)-1을 연산한 다음,
상기 (Φk)-1를 상기 Z와 곱한 값((Φk)-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
The method of claim 5,
The inverse matrix generator,
In the case of V=O, an operation operation of applying the j-th (j=(1,...,k)) selected column component of the k column components and the diagonal matrix (D) to the Sherman Morrison formula Repeated k times from j=1 to k, calculating the inverse matrix (Φ k ) -1 for the initial matrix Φ k matrix,
By substituting the value ((Φ k) -1 · Z ) the (Φ k) multiplied by -1 and the Z in the term of the approximate equation of the Z -1 a downlink MIMO system for calculating the mass Z -1 Precoding device for.
청구항 5에 있어서,
상기 제어부는,
상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수보다 작고 0보다 큰 경우(0<V<Nu),
상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적인 V개 행에 대응하여 DCNS-1 기법을 적용하고 상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적이지 않은 나머지 U개 행에 대해 DCNS-U 기법(k=U)을 적용하는 하이브리드 기법을 선택하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
The method of claim 5,
The control unit,
When the number of diagonally dominant rows is smaller than the number of users and greater than 0 (0<V<N u ),
A hybrid technique in which the DCNS-1 technique is applied to the V rows that are diagonally dominant in the Z matrix and the DCNS-U technique (k=U) is applied to the remaining U rows that are not diagonally dominant in the Z matrix. A precoding device for a downlink large-capacity MIMO system to select.
청구항 8에 있어서,
상기 역행렬 생성부는,
상기 0<V<Nu인 경우, 상기 Z 행렬 내 각 행에 대해 대각 지배성 크기를 연산하여 대각 지배성 크기가 높은 순으로 G 행렬의 행들을 재정렬하고, 재정렬된 GS를 이용하여 ZS 행렬(ZS=GS·GS H)을 연산하고,
상기 ZS 행렬을 상기 V값을 기초로 4개 영역으로 분할하여, 좌상단부터 좌하단까지 시계방향으로 V×V의 D1 행렬, V×U의 E1 행렬, U×U의 D2 행렬 및 U×V의 D2 행렬을 분리한 다음, 상기 D1 행렬에 DCNS-1 기법을 적용하여 (D1)-1 행렬을 얻고, D2 행렬에 DCNS-U 기법을 적용하여 상기 (D2)-1 행렬을 얻은 후,
상기 (D1)-1, (D2)-1, E1 및 E2 행렬을 아래 수학식에 대입하여 ZS의 역행렬인 ZS -1을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치:
Figure 112019085487297-pat00062

여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬을 나타낸다.
The method of claim 8,
The inverse matrix generator,
Wherein 0 <V <N u is the case, Z in the above Z matrix in the diagonal controlled for each row property by calculating the amount of high diagonal dominant sex size order of rearranging the rows of the G matrix, and using the rearranged G S S Compute the matrix (Z S =G S ·G S H ),
The Z S matrix is divided into four regions based on the V value, and a D 1 matrix of V×V, an E 1 matrix of V×U, a D 2 matrix of U×U in a clockwise direction from the top left to the bottom left, and by applying the technique DCNS-1, remove the matrix of D 2 U × V next, the D 1 to obtain a matrix (D 1) -1 matrix, by applying a U-DCNS techniques in the matrix D 2 (D 2) After getting -1 matrix,
The (D 1) -1, (D 2) -1, a precoding unit for the downlink MIMO system for calculating a large Z S -1 the inverse matrix of Z S by substituting the E 1 and E 2 in the matrix equation below :
Figure 112019085487297-pat00062

Here, L is the length of LS, and I i is an i×i identity matrix.
청구항 9에 있어서,
상기 ZS -1의 계산을 위해 수학식에 포함된 Φ 행렬의 4개 영역에 대응하여 각각 상기 D1 행렬, 영행렬, 상기 D2 행렬, 영행렬이 할당되는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 장치.
The method of claim 9,
Free for a downlink large-capacity MIMO system in which the D 1 matrix, the zero matrix, the D 2 matrix, and the zero matrix are assigned to each of the four regions of the Φ matrix included in the equation for the calculation of Z S -1 . Coding device.
대용량 MIMO 시스템 내 기지국에서 수행하는 프리코딩 방법에 있어서,
상기 기지국과 복수의 유저 사이의 채널 행렬(G)을 기초로 Z 행렬(Z=G·GH)을 연산하는 단계;
상기 Z 행렬에서 대각 지배적인 행의 개수(V; 0≤V≤Nu)를 구하고 상기 대각 지배적인 행의 개수(V)를 상기 유저의 개수(Nu)와 비교하는 단계;
비교 결과를 기초로 상기 Z 행렬 내에서 1개의 열 성분만 선택하거나, 설정 개수(k개; 1<k<Nu)의 열 성분을 선택하는 단계;
상기 Z 행렬에서 대각 성분만을 취한 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 NS(Neumann Series)의 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, 상기 Φ 행렬을 NS 기반의 Z-1의 근사식에 대입하여 Z-1을 계산하는 단계; 및
상기 연산된 Z-1에 GH를 곱하여 프리코딩 행렬을 생성하는 단계를 포함하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
In the precoding method performed by a base station in a large-capacity MIMO system,
Calculating a Z matrix (Z=G·G H ) based on a channel matrix G between the base station and a plurality of users;
Calculating the number of diagonally dominant rows (V; 0≤V≤N u ) in the Z matrix and comparing the number of diagonally dominant rows (V) with the number of users (N u );
Selecting only one column component in the Z matrix based on the comparison result, or selecting a set number (k; 1<k<N u ) of column components;
The Φ matrix, which is the initial matrix of NS (Neumann Series), is obtained by combining the selected column components to the diagonal matrix (D) taking only the diagonal components from the Z matrix, and substituting the Φ matrix into the approximate formula of NS-based Z -1 Calculating Z -1 ; And
And generating a precoding matrix by multiplying the calculated Z -1 by G H. A precoding method for a downlink large-capacity MIMO system.
청구항 11에 있어서,
상기 Z-1을 계산하기 위한 NS 기반의 Z-1의 근사식과 그 수렴 조건은 아래 수학식으로 정의되는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법:
Figure 112019085487297-pat00063

Figure 112019085487297-pat00064

여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬, Oi는 i×i 영행렬을 나타낸다.
The method of claim 11,
Approximate expression and the convergence condition of the NS-based Z -1 for computing the Z -1 is a pre-coding method for the downlink MIMO system capacity is defined by the equation below:
Figure 112019085487297-pat00063

Figure 112019085487297-pat00064

Here, L is the length of LS, I i is an i×i identity matrix, and O i is an i×i zero matrix.
청구항 11에 있어서,
상기 Z-1을 계산하는 단계는,
상기 대각 행렬(D)에 상기 선택된 열 성분을 결합하여 상기 Φ 행렬을 구한 후 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음,
상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
The method of claim 11,
The step of calculating the Z -1 ,
After obtaining the Φ matrix by combining the selected column components with the diagonal matrix (D), the inverse matrix Φ -1 is calculated,
Pre-coding method for the downlink MIMO system capacity by substituting the Φ -1 Z and the multiplied value (Φ -1 · Z) of the corresponding term of the approximate equation of the Z -1 for calculating the Z -1.
청구항 11에 있어서,
상기 열 성분을 선택하는 단계는,
상기 열 성분의 선택 시에, 상기 Z 행렬 내의 각 열 중에서 전력이 높은 순서로 선택하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
The method of claim 11,
Selecting the thermal component,
When selecting the column component, a precoding method for a downlink high-capacity MIMO system in which power is selected from among each column in the Z matrix in order of high power.
청구항 11에 있어서,
상기 열 성분을 선택하는 단계는,
상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수와 동일한 경우(V=Nu), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 최대 전력을 가지는 1개의 열 성분을 선택하는 DCNS(Diagonal plus Column NS)-1 기법을 적용하고,
상기 대각 지배적인 행의 개수가 0개인 경우(V=0), 상기 Z 행렬 내의 대각 성분을 모두 0으로 처리한 상태에서 각 열 중에서 전력 크기가 높은 순으로 k개의 열 성분을 선택하는 DCNS-k 기법을 적용하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
The method of claim 11,
Selecting the thermal component,
When the number of diagonally dominant rows is the same as the number of users (V=N u ), selecting one column component having the maximum power from each column in a state in which all the diagonal components in the Z matrix are treated as 0 DCNS (Diagonal plus Column NS)-1 technique is applied,
When the number of diagonally dominant rows is 0 (V=0), DCNS-k selects k column components in the order of power magnitude among each column in a state in which all the diagonal components in the Z matrix are treated as 0 Precoding method for a downlink large-capacity MIMO system to which the technique is applied.
청구항 15에 있어서,
상기 Z-1을 계산하는 단계는,
상기 V=Nu인 경우, 상기 선택된 1개의 열 성분을 상기 대각 행렬(D)에 결합하여 초기 행렬인 Φ 행렬을 구하고, Φ 행렬을 다시 대각 행렬(D)과 atomic 행렬로 분리한 결과를 이용하여 Φ의 역행렬인 Φ-1을 연산한 다음,
상기 Φ-1를 상기 Z와 곱한 값(Φ-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
The method of claim 15,
The step of calculating the Z -1 ,
In the case of V=N u , the selected one column component is combined with the diagonal matrix (D) to obtain an initial matrix Φ matrix, and the result of dividing the Φ matrix into a diagonal matrix (D) and an atomic matrix is used. And calculate Φ -1 , which is the inverse matrix of Φ,
Pre-coding method for the downlink MIMO system capacity by substituting the Φ -1 Z and the multiplied value (Φ -1 · Z) of the corresponding term of the approximate equation of the Z -1 for calculating the Z -1.
청구항 15에 있어서,
상기 Z-1을 계산하는 단계는,
상기 V=O인 경우, 상기 k개 열 성분들 중 j번째(j={1,…,k)) 선택된 열 성분과 상기 대각 행렬(D)을 셔먼 모리슨(Sherman Morrison) 공식에 적용하는 연산 동작을 j=1 부터 k까지 k회 반복하여, 초기 행렬인 Φk 행렬에 대한 역행렬 (Φk)-1을 연산한 다음,
상기 (Φk)-1를 상기 Z와 곱한 값((Φk)-1·Z)을 상기 Z-1의 근사식의 해당 항에 대입하여 상기 Z-1을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
The method of claim 15,
The step of calculating the Z -1 ,
In the case of V=O, an operation operation of applying the j-th (j=(1,...,k)) selected column component of the k column components and the diagonal matrix (D) to the Sherman Morrison formula Repeated k times from j=1 to k, calculating the inverse matrix (Φ k ) -1 for the initial matrix Φ k matrix,
By substituting the value ((Φ k) -1 · Z ) the (Φ k) multiplied by -1 and the Z in the term of the approximate equation of the Z -1 a downlink MIMO system for calculating the mass Z -1 For precoding method.
청구항 15에 있어서,
상기 열 성분을 선택하는 단계는,
상기 대각 지배적인 행의 개수가 상기 유저의 개수보다 작고 0보다 큰 경우(0<V<Nu),
상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적인 V개 행에 대응하여 DCNS-1 기법을 적용하고 상기 Z 행렬 내에서 대각 지배적이지 않은 나머지 U개 행에 대해 DCNS-U 기법(k=U)을 적용하는 하이브리드 기법을 선택하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
The method of claim 15,
Selecting the thermal component,
When the number of diagonally dominant rows is smaller than the number of users and greater than 0 (0<V<N u ),
A hybrid technique in which the DCNS-1 technique is applied to the V rows that are diagonally dominant in the Z matrix and the DCNS-U technique (k=U) is applied to the remaining U rows that are not diagonally dominant in the Z matrix. Precoding method for a downlink large-capacity MIMO system for selecting.
청구항 18에 있어서,
상기 Z-1을 계산하는 단계는,
상기 0<V<Nu인 경우, 상기 Z 행렬 내 각 행에 대해 대각 지배성 크기를 연산하여 대각 지배성 크기가 높은 순으로 G 행렬의 행들을 재정렬하고, 재정렬된 GS를 이용하여 ZS 행렬(ZS=GS·GS H)을 연산하고,
상기 ZS 행렬을 상기 V값을 기초로 4개 영역으로 분할하여, 좌상단부터 좌하단까지 시계방향으로 V×V의 D1 행렬, V×U의 E1 행렬, U×U의 D2 행렬 및 U×V의 D2 행렬을 분리한 다음, 상기 D1 행렬에 DCNS-1 기법을 적용하여 (D1)-1 행렬을 얻고, D2 행렬에 DCNS-U 기법을 적용하여 상기 (D2)-1 행렬을 얻은 후,
상기 (D1)-1, (D2)-1, E1 및 E2 행렬을 아래 수학식에 대입하여 ZS의 역행렬인 ZS -1을 계산을 계산하는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법:
Figure 112019085487297-pat00065

여기서, L은 LS의 길이, Ii는 i×i 단위 행렬을 나타낸다.
The method of claim 18,
The step of calculating the Z -1 ,
Wherein 0 <V <N u is the case, Z in the above Z matrix in the diagonal controlled for each row property by calculating the amount of high diagonal dominant sex size order of rearranging the rows of the G matrix, and using the rearranged G S S Compute the matrix (Z S =G S ·G S H ),
The Z S matrix is divided into four regions based on the V value, and a D 1 matrix of V×V, an E 1 matrix of V×U, a D 2 matrix of U×U in a clockwise direction from the top left to the bottom left, and by applying the technique DCNS-1, remove the matrix of D 2 U × V next, the D 1 to obtain a matrix (D 1) -1 matrix, by applying a U-DCNS techniques in the matrix D 2 (D 2) After getting -1 matrix,
The (D 1) -1, (D 2) -1, by substituting the E 1 and E 2 in the matrix equation below free for downlink MIMO system capacity for calculating calculates the Z S -1 is the inverse matrix of Z S Coding method:
Figure 112019085487297-pat00065

Here, L is the length of LS, and I i is an i×i identity matrix.
청구항 19에 있어서,
상기 ZS -1의 계산을 위해 수학식에 포함된 Φ 행렬의 4개 영역에 대응하여 각각 상기 D1 행렬, 영행렬, 상기 D2 행렬, 영행렬이 할당되는 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 위한 프리코딩 방법.
The method of claim 19,
Free for a downlink large-capacity MIMO system in which the D 1 matrix, the zero matrix, the D 2 matrix, and the zero matrix are assigned to each of the four regions of the Φ matrix included in the equation for the calculation of Z S -1 . Coding method.
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