KR20100083731A - A method of dirty paper coding by using nested lattice codes - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무선 통신 시스템의 코딩 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 네스티드 격자 코드를 이용한 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding; DPC) 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a coding method of a wireless communication system, and more particularly, to a dirty paper coding (DPC) method using nested lattice codes.
방송 채널은 다중 사용자 정보 이론에 있어서 가장 기본적인 엔티티들 중 하나이다. 다중 안테나 가우스 방송 채널에 대하여, 더티 페이퍼 코딩이 모든 영역에서 획득된다는 점은 널리 알려져 있다. Broadcast channels are one of the most basic entities in multiuser information theory. For multi-antenna Gaussian broadcast channels, it is well known that dirty paper coding is obtained in all regions.
이러한 채널의 가장 큰 약점 중 하나가 더티 페이퍼 코딩의 실행이 어렵다는 것이다. 이는 두 가지의 이유 때문이다. 첫째로, 더티 페이퍼 코딩은 송신기에서 모든 채널에 대한 채널 상태 정보의 정확한 파악을 필요로 하며, 둘째로, 상태를 파악하더라도, 종래의 더티 페이퍼 코딩 메커니즘에 요구되는 인코딩(encoding) 및 디코딩(decoding) 절차를 수행하기가 복잡하다는 것이다. 게다가, 다수개의 페이퍼들이 실질적으로, Tomlinson-Harashima 프리코딩(precoding), zero-forcing 및 MMSE 코딩과 같은 다른 메커니즘들을 이용하여 더티 페이퍼 코딩과 비슷하게 작성된다. 한편, 셀룰러 네트워크에서, 더티 페이퍼 코딩이 근사 방식들에 비하여 큰 이득을 획득할 수 있고, 아울러 가장 중요한 것은 저 복잡도의 메커니즘으로 더티 페이퍼 코딩을 수행할 수 있다는 결과가 나타나고 있다. One of the biggest drawbacks of these channels is the difficulty of performing dirty paper coding. This is for two reasons. Firstly, dirty paper coding requires accurate grasping of channel state information for all channels at the transmitter, and second, even if the state is known, the encoding and decoding required for conventional dirty paper coding mechanisms. It is complicated to carry out the procedure. In addition, multiple papers are substantially written similar to dirty paper coding using other mechanisms such as Tomlinson-Harashima precoding, zero-forcing and MMSE coding. On the other hand, in cellular networks, it has been shown that dirty paper coding can obtain a large gain compared to approximation schemes, and most importantly, dirty paper coding can be performed by a mechanism of low complexity.
송신기에서 채널 상태를 파악하면, 더티 페이퍼 프리코딩이 근사 없이 대략의 다항 시간(polynomial-time)을 나타내는 복잡도로 구현될 수 있다. 이는 채널 상태 피드백을 위한 완만한 페이딩(fading) 환경에서, 더티 페이퍼 코딩이 사실상 저 복잡도 기술이며, 보다 실제에 가까울 수 있음을 의미한다. Knowing the channel conditions at the transmitter, dirty paper precoding can be implemented with a complexity that represents an approximate polynomial-time without approximation. This means that in a gentle fading environment for channel state feedback, dirty paper coding is in fact a low complexity technique and can be more real.
상술한 바와 같은 종래의 요구를 감안한 본 발명의 목적은 더티 페이퍼 코딩의 복잡도를 감소시킬 수 있는 네스티드 격자를 이용한 더피 페이퍼 코딩 방법을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of coding duffy paper using a nested grating capable of reducing the complexity of dirty paper coding.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 적어도 2개의 서로 다른 수신기에 신호를 전송하는 송신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 인코딩 방법은, 상기 적어도 2개의 서로 다른 수신기 중 어느 일 수신기에 대해 타 수신기의 간섭이 상기 일 수신기의 격자의 격자점에 위치하도록 격자를 스케일링 하는 과정과, 모듈로 연산을 통해 상기 일 수신기의 격자의 기본 격자에 상기 일 수신기에 전송할 신호에서 상기 간섭을 뺀 신호를 매핑시키는 과정과, 상기 매핑시킨 신호를 전송하는 과정을 포함한다. In accordance with a preferred embodiment of the present invention, a method of encoding a dirty paper using a nested grid of a transmitter for transmitting a signal to at least two different receivers may include any of the at least two different receivers. Scaling the grid so that interference of another receiver with respect to one receiver is located at a grid point of the grid of the receiver; and in the signal to be transmitted to the receiver to the basic grid of the grid of the receiver through modulo operation And a process of mapping the subtracted signal and transmitting the mapped signal.
상기 스케일링은 상기 일 수신기 및 상기 타 수신기 중 어느 하나의 수신기의 격자를 스케일링하는 것을 특징으로 한다. The scaling is characterized in that to scale the grid of any one of the receiver and the other receiver.
또한, 상기 스케일링은 수학식 및 중 적어도 하나에 따라 스케일링하며, 상기 N은 잡음이고, 상기 은 전력 제한이며, , , 이고, 및 는 상기 일 수신기 및 상기 타 수신기로부터 수신하는 채널 정보에 따라 결정되며, a 및 b는 벡터인 것을 특징으로 한다. In addition, the scaling is expressed by equation And Scaling according to at least one of, wherein N is noise, Is the power limit, , , ego, And Is determined according to channel information received from the one receiver and the other receiver, and a and b are vectors.
상기 매핑시키는 과정은 모듈로 연산에 따라 이루어지는 것을 특징으로 한다. The mapping may be performed according to a modulo operation.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 적어도 2개의 서로 다른 수신기에 신호를 전송하는 송신기가 전송하는 신호를 수신하는 어느 일 수신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩 방법은, 상기 송신기가 전송한 신호를 수신하는 과정과, 상기 신호를 스케일링된 격자를 이용하여 모듈로 연산을 통해 디코딩하는 과정을 포함한다. According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object, a dirty paper decoding method using a nested grid of any one receiver for receiving a signal transmitted by a transmitter for transmitting a signal to at least two different receivers Receiving a signal transmitted by the transmitter, and decoding the signal through a modulo operation using a scaled grid.
상기 디코딩하는 과정은 상기 모듈로 연산 전, 선형 필터링 및 디더 제거 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The decoding may further include linear filtering and dither removing before the modulo operation.
상기 스케일링은 상기 적어도 2개의 서로 다른 수신기 중 어느 하나의 수신기의 격자를 스케일링하는 것을 특징으로 한다.The scaling is characterized by scaling the grid of any one of the at least two different receivers.
상기 스케일링은 수학식 및 중 적어도 하나에 따라 스케일링하며, 상기 N은 잡음이고, 상기 은 전력 제한이며, , , 이고, 및 는 상기 일 수신기 및 상기 타 수신기로부터 수신하는 채널 정보에 따라 결정되며, a 및 b는 벡터인 것을 특징으로 한다. The scaling is equation And Scaling according to at least one of, wherein N is noise, Is the power limit, , , ego, And Is determined according to channel information received from the one receiver and the other receiver, and a and b are vectors.
본 발명은 방송 채널의 더티 페이퍼 코딩을 위한 코드를 설계하는 간결한 접근 방안을 제공하는 네스티드 격자 코딩 방법을 제안한다. 이러한 간결함은 선형 시간 인코딩 및 구형 디코딩을 허용하는 네스티드 격자를 이용함으로써 가능한 것이다. 이러한 접근법으로MISO 방송 채널을 위한 용량이 달성될 수 있다.The present invention proposes a nested lattice coding method that provides a concise approach to designing code for dirty paper coding of a broadcast channel. This simplicity is made possible by using nested gratings that allow linear time encoding and spherical decoding. With this approach, capacity for the MISO broadcast channel can be achieved.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 MISO 방송 채널을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 더티 페이퍼 코딩에 사용되는 격자의 일 예를 도시한 도면.
도 3은 종래의 기술에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 코딩을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 코딩을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 코딩 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩 방법을 설명하기 위한 도면. 1 is a diagram illustrating a MISO broadcast channel according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates an example of a grating used for dirty paper coding according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining dirty paper coding using a nested grating according to the prior art.
4 is a view for explaining dirty paper coding using a nested grating according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a dirty paper coding method using a nested grating according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a dirty paper decoding method using a nested grid according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다. 본 발명은 송신기의 인코더의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 인코딩과, 수신기의 디코더의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩으로 구성된다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that in the following description, only parts necessary for understanding the operation according to the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted so as not to distract from the gist of the present invention. The present invention consists of dirty paper encoding using the nested grating of the encoder of the transmitter and dirty paper decoding using the nested grating of the decoder of the receiver.
도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 MISO 방송 채널을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 더티 페이퍼 코딩에 사용되는 격자의 일 예를 도시한 도면이다. 또한, 도 3은 네스티드 격자를 이용한 일반적인 더티 페이퍼 코딩을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 코딩을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram illustrating an MISO broadcast channel according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a grid used for dirty paper coding according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram for explaining general dirty paper coding using a nested grating, and FIG. 4 is a diagram for describing dirty paper coding using a nested grating according to an embodiment of the present invention.
시스템 모델System model
본 발명의 실시 예의 수학식에 사용되는 문자는 특별한 언급이 없다면 열(column) 벡터를 의미한다. T는 행열의 행과 열을 바꾸는 전치를 의미한다. 또한 mod는 격자(lattice)에 관한 모듈로(modulo) 연산을 지칭한다. 예컨대, 모듈로 연산의 일 예로 sphere coding 및 decoding을 들 수 있다. The character used in the equation of the embodiment of the present invention means a column vector unless otherwise specified. T is the transposition that swaps the rows and columns of a column. Mod also refers to a modulo operation on the lattice . For example, sphere coding and decoding are examples of modulo operations.
본 발명의 실시 예에서 네트워크 시스템은 도 1에 도시되어 있는 멀티 입력 싱글 출력(multiple input single output, MISO) 방송 채널인 것으로 가정한다. 발명을 보다 명확히 설명하기 위하여, 시스템에는 단 2개의 수신기(100, 200)가 존재하는 것으로 가정한다. 송신기(300)가 제1 및 제2 수신기(100, 200)에 전송하는 신호(Y1, Y2)는 채널 상태(h1, h2) 및 잡음(noise)(N1, N2)를 고려하면, 다음의 <수학식 1>과 같이 기술할 수 있다. In an embodiment of the present invention, it is assumed that the network system is a multiple input single output (MISO) broadcast channel shown in FIG. 1. To more clearly illustrate the invention, it is assumed that there are only two
여기서 모든 기호는 실수 값을 의미하지만, 복소수로의 확장도 가능하다. 또한 송신기(300)의 송신 전력은 P로 제한되며, 추가적인 잡음은 편차가 N인 가우시안 형태를 취한다. 또한 송신기(300)와 제1 수신기(100) 및 제2 수신기(200) 모두 채널 상태인 h1및 h2를 알고 있다고 가정한다. 이 채널의 용량 영역은 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding, DPC)에 의하여 획득되는 것으로 잘 알려져 있다. All symbols here mean real values, but can be extended to complex numbers. In addition, the transmit power of the
일반적으로 더티 페이퍼 코딩은 Gel'fand-Pinsker-style binning에 의하여 구현 가능하다. 최근의 연구에서는 격자 코드들은 이러한 동작을 수행하는데 이용되어 왔다. 특히 Erez, Shamai와Zamir는 네스티드(nested) 격자 코드가 추가적 가우시안 상태를 갖는 점 대 점 가우시안 채널(point-to-point channel)에서 더티 페이퍼 코딩을 수행하는데 이용될 수 있음을 증명하였으며, 이러한 상태는 계속해서 다른 어떠한 상태 분류에도 적용되는 것으로 일반화되었다. 부호화 및 복호화 설계는 후술한다. 추가적 가우시안 상태를 갖는 점 대 점 가우시안 채널은 다음의 <수학식 2>와 같은 형태로 표시된다. In general, dirty paper coding can be implemented by Gel'fand-Pinsker-style binning. In recent research, grid codes have been used to perform this operation. In particular, Erez, Shamai, and Zamir have demonstrated that nested lattice codes can be used to perform dirty paper coding in point-to-point channels with additional Gaussian states. Continues to be generalized to apply to any other state classification. The encoding and decoding design will be described later. A point-to-point Gaussian channel with an additional Gaussian state is represented by
여기서 전송 메시지 X는 전력 한계 P, 송신기(300)가 인식하고 있는 추가적 가우시안 상태 S 및 잡음 편차 N을 갖는다. The transmission message X here has a power limit P, an additional Gaussian state S and noise deviation N that the
채널 코딩 측면에서 좋은(good) 격자는 메시지를 통신하는데 이용되는 미세한(fine) 격자로서 선택되며, 전력 한계()를 나타내는 성근(coarse) 격자 L에 네스티드된다. In terms of channel coding, a good grating is chosen as the fine grating used to communicate the message, Nested in a coarse lattice L,
도3을 참조하면, 미세 격자는 도면 부호 1 내지 9가 지시하는 각각의 격자를 의미하며, 성근 격자는 도면 부호 1 내지 9를 모두 합한 격자를 의미한다. 이와 마찬가지로 도4를 참조하면, 미세 격자는 도면 부호 10 내지 90이 지시하는 각각의 격자를 의미하며, 성근 격자는 도면 부호 10 내지 90을 모두 합한 격자를 의미한다. 도 3 및 도 4에 예시한 바와 같이, 다수의 미세 격자는 성근 격자에 네스티드되며, 성근 격자 및 미세 격자는 상호간의 상대적 개념으로 해석할 수 있다. Referring to FIG. 3, the fine lattice refers to each lattice indicated by
도3 및 도 4에서 각 격자는 3*3의 행 및 열의 요소로 구분되며, 각 요소의 중점을 격자점이라고 한다. 도 2 내지 도 3에서 격자점을 도형으로 표시하였다. 예컨대, 모든 미세 격자의 동일한 행 및 열은 동일한 값을 가진다. 따라서, 도면 부호 10의 첫번째 행 및 첫번째 열의 격자점(오각형으로 표시)과 도면 부호 20 내지 90의 모든 첫번째 행 및 첫번째 열의 격자점(오각형)은 동일한 값으로 해석할 수 있다. In Fig. 3 and Fig. 4, each lattice is divided into 3 * 3 row and column elements, and the midpoint of each element is called lattice point. In FIG. 2 to FIG. 3, the lattice points are shown as a figure. For example, the same rows and columns of all microgrids have the same value. Therefore, the lattice points (marked with pentagons) of the first row and the first column of
송신기가 전송하고자 하는 신호를 λ라하고, 격자점((lattice point))을 Λ라 할 때, 신호 λ가 위치하는 격자점(), 송신기(300)가 인식하고 있는 상태 S 및 α = P/(P + N)가 주어진다면, 송신기(300)의 송신 신호 부호화 과정은 다음의 <수학식 3>과 같다. When the signal to be transmitted by the transmitter is λ and the lattice point is Λ, the lattice point where the signal λ is located ( ), Given a state S recognized by the
또는 or
도3을 참조하면, L은 격자를 나타내며, mod는 앞서 설명한 바와 같이, DPC에 따른 모듈로 연산을 의미한다. X는 채널을 통해 전송되는 더티 페이퍼 부호화(coding)된 결과이다. 즉, X는 전송하고자 하는 신호 λ에서 송신기(300)가 인지하고 있는 추가적 상태인 간섭 S(15)를 뺀 값(11)을 성근 격자를 구성하는 어느 하나의 미세 격자(1)에 매핑시킨 후, 모듈로 연산을 통해 기본 격자(good lattice)(9)에 매핑시킨 값(17)을 의미한다. 이것은 수신단에서 레티스 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩을 이용하여 순차적으로 디코딩된다. 방송 채널에 대한 이러한 격자 기반 디코딩 설계의 직접적 애플리케이션은 여전히 매우 복잡하고 구현하기 어렵다. Referring to FIG. 3, L denotes a lattice and mod denotes a modulo operation according to the DPC, as described above. X is the result of the dirty paper coded over the channel. That is, X maps a
추가적 상태 S가 가우시안 코드북이나 임의의 코드북으로부터 생성된다면, <수학식 3>의 부호화 과정은 수행하기 매우 힘들어진다. 본 발명의 주요한 목적은 아래와 같다. If the additional state S is generated from a Gaussian codebook or any codebook, the encoding process of
첫째, 격자 구조를 이용하는 선형 복잡도 작업으로 부호화 작업을 간략화하는 것이다. The first is to simplify the coding task with a linear complexity task using a grid structure.
둘째, 격자 복호화 작업을 다항의(POLINOMIAL) 시간 평균 복잡도를 갖는 구복호(Sphere Decoding) 알고리즘을 이용하여 간략화 하는 것이다. Second, the grid decoding operation is simplified by using a sphere decoding algorithm having a POLINOMIAL time average complexity.
그러므로 전체적인 부호화 및 복호화 작업은 다항의(POLINOMIAL)복잡도를 갖고, 이는 실제로 더 구현함에 있어 용이하다.
Therefore, the overall encoding and decoding operation has a POLINOMIAL complexity, which is actually easy to implement further.
저-복잡 더티 페이퍼 인코딩 방법Low Complex Dirty Paper Encoding Method
제1 수신기(100)가 특정 범위 즉,에서 전송 전력 P를 가지는 더티 페이퍼 인코딩된 코드 북(dirty-paper-encoded codebook)을 가진다고 가정한다. The
종래 기술에 따르면, 더티 페이퍼 코딩되지 않고 전송되는 제2 수신기(200)에 대한 코드북을 우선적으로 구성하고 더티 페이퍼 코딩되어 전송되는 제1 수신기(100)에 대한 코드북을 그 다음으로 구성하였다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따르면 상기 순서와 반대로 코드북을 설계한다. According to the prior art, the codebook for the
우선, 송신기(300)는 제1 수신기(100)에 대한 채널 코딩의 관점에서 미세 격자 Λ를 선택한다. 선택된 미세 격자는 전력 제약(Power Constraint) 를 나타내는 성근 격자(coarse lattice) 에 네스티드 된다. First, the
한편, 더티 페이퍼 코딩이 사용되는 경우, 제1 및 제2 수신기(200)의 코드북 각각이 전력 제약을 만족시키는 최적의 공분산 및 를 결합시킬 수 있다. MISO(Multi-Input Single-Output) 방송 채널에 대한 최적의 및 의 선택은 전체 용량 영역(Capacity region)에 대한 단위 랭크 매트릭스(unit rank matrices)이다. 이것은 다음의 <수학식 4>의 형태로 표현 할 수 있다. On the other hand, when dirty paper coding is used, each of the codebooks of the first and
상기 <수학식 4>에서 a, b는 각각 특정 벡터이며, 이다. 본 발명의 실시 예에서는 다음의 <수학식 5>와 같은 표기법을 정의하도록 한다. In
격자 구성에 대한 설명으로 복귀하면, 네스티드 격자 총체(nested lattice ensemble) ()는 기본 볼륨으로 존재하고, 평균적으로 간섭 없이 제1 수신기(100)에 대해 네스티드 격자 총체에 의해 획득되는 비율은 다음의 <수학식 6>과 같이 주어진다. Returning to the description of the lattice construction, the nested lattice ensemble ( ) Is the fundamental volume, and on average, the ratio obtained by the nested grating total with respect to the
이것은 본질적으로, 코드북 생성을 위한 전송 공분산(covariance)을 사용하는 경우, 제1 수신기(100)에 의해 간섭 없이 보여지는 최대 비율이며, 을 적당히 선택하여 채널에 대한 용량 영역 경계에 놓인다. This is essentially a transmission covariance for codebook generation. When using, the maximum ratio seen without interference by the
다음으로, 송신기(300)는 제2 수신기(200)에 대한 코드북을 생성한다. 제1 수신기(100)의 격자 Λ를 격자점으로 하는 격자를 취득한 후, 그 취득한 격자(그 격자의 각 요소)를 만큼 스케일링하여, 제2 수신기(200)에 대해 를 만족하는 격자를 획득한다. 용량 영역 경계에 놓이기 위해 제2 수신기(200)에 대해 요구되는 비율은 다음의 <수학식 7>과 같다는 점에 유의해야 한다. Next, the
여기서, β는 명백하지 않은(non-trivial) 값이다. 그리고 상기 <수학식 7>에 표현된 제2 수신기(200)에 대해 요구되는 비율은 제1 수신기(100)에 대한 비율보다 훨씬 작다. Where β is a non-trivial value. The ratio required for the
따라서, 제2 수신기(200)에 대한 전력 제약 을 나타내는 성근 격자 L2에 네스트된(nested) 경우, 임의의 양의 정수 M에 대해 를 만족하는 의 부격자(sublattice)를 찾을 수 있으며, 이러한 스케일링의 비율은 상기 <수학식 7>에서 보인 바와 같다. Thus, power constraints on the
따라서, 제1 수신기(100)에 대한 네스티드 격자(nested lattice) ()와 제2 수신기(200)에 대한 네스티드 격자() 는 특유의 성질을 가지도록 설정된다. Thus, the nested lattice for the first receiver 100 ( ) And the nested gratings for the second receiver 200 ( ) Is set to have unique properties.
우선, 상기 격자들은 종단간(ponit to point) 통신에서 인코딩 및 디코딩을 위해 사용될 수 있다는 것을 보장하는 통신을 위한 양호한(good) 격자들이다. 그리고 상기 격자들은 평균적으로, 방송 채널에서 요구되는 비율이 달성될 수 있도록 보장하는 충분한 코드북을 가지는 총체(ensemble)로부터 연유된다. 또한, 상기 격자들은 스케일링 인자와 연관된다. 이러한 관계는 더티 페이퍼 코딩이 효과적으로 수행될 수 있다는 것을 보장한다. First of all, the gratings are good gratings for communication to ensure that they can be used for encoding and decoding in end-to-end communication. And the grids are, on average, derived from an ensemble with enough codebooks to ensure that the rate required in the broadcast channel can be achieved. The gratings are also associated with a scaling factor. This relationship ensures that dirty paper coding can be performed effectively.
상술한 바와 같은 스케일링에 따라, 제2 송신기(200)가 전송하고자 하는 신호 γ가 격자점 Γ에 위치()하고, 제1 송신기(100)가 전송하고자 하는 신호 λ가 격자점 Λ에 위치()한다고 가정한다. 그러면, 제2 수신기(200)에 대한 격자 코드 출력이 다음의 <수학식 8>과 같이 주어진다. According to the scaling as described above, the signal γ to be transmitted by the
여기서, 는 기본 영역(fundamental region) L2에 걸쳐 균일하게 분배된 랜덤 변수이다. 그러면 다음의 <수학식 9>에 의해 제1 수신기(100)에 대한 더티 페이퍼 코드 출력을 생성할 수 있다. here, Is a random variable that is uniformly distributed over the fundamental region L2. Then, the dirty paper code output to the
여기서 는 기본 영역 L1에 걸쳐 균일하게 분배된 랜덤 변수이다. 여기서, 가 Λ의 요소(element)임을 주의해야 한다. 즉, 는 격자점에 위치한다. 그러므로, 는 Λ의 요소이다. 즉, 또한, 격자점에 위치한다. 따라서, 인코딩에 대한 상기 모듈로(modulo) 동작은 선형 시간에서 수행될 수 있다. 마지막으로 시간 'i'에서 전송된 벡터는 아래의 <수학식 10>과 같이 주어진다. here Is a random variable uniformly distributed over the base region L1. here, Note that is an element of Λ. In other words, Is located at the grid point. therefore, Is an element of Λ. In other words, It is also located at the grid point. Thus, the modulo operation for encoding can be performed in linear time. Finally, the vector transmitted at time 'i' is given by
디코딩 방법 (Decoding method ( Decoding StrategyDecoding Strategy ))
블록 사이즈가 n 일때, 제1 수신기(100)에서 수신하는 신호는 다음의 <수학식 11>과 같다. When the block size is n, the signal received by the
제1 수신기(100)의 더티 페이퍼(dirty-paper) 디코딩은 에 따른 모듈로 연산에 의거하여 선형 필터링(linear filtering) 및 디더 제거(dither remoivng)에 따라 처리되며, 이러한 디코딩은 다음의 <수학식 12>와 같다. Dirty-paper decoding of the
여기서, 은 와 같이 표현될 수 있다. 또한, 노이즈의 변화(the variance of the effective noise)를 최소화하기 위해, 수신기는 선형 필터 팩터, 를 취한다. 예컨대, 은 MMSE 스캐일링 팩터에서 선택된다. 또한, MMSE 스캐일링 및 스피어 디코딩은 선형 시간 복잡에 의거하므로, 제1 수신기(100)의 디코딩은 선형 시간에 따라 수행된다. here, silver It can be expressed as Also, to minimize the variance of the effective noise, the receiver uses a linear filter factor, Take for example, Is selected from the MMSE scaling factor. In addition, since MMSE scaling and sphere decoding are based on linear time complexity, decoding of the
디더(dither, )에 따라, 제1 제1 수신기(100)의 인코딩된 아웃풋(u)은 의 기본 영역(fundamental region)에서 유니폼(uniform)하다. 따라서 아웃풋(u)는 에 독립(independent of )이며, 디더()와 그 분포가 동일하다. Dither, ), The encoded output u of the first
이러한 펙터에 따라, 잡음의 의 EX2의 범위는 다음의 <수학식 13>과 같이 계산된다. <수학식 13>에서 의 EX2는 직교성에 따라 도출된다. Depending on these factors, the noise The range of EX 2 is calculated as shown in
제1 수신기(100)에서 획득한 비율을 보기 위해, 메시지를 임의의 변수(a random variable )에 의해 나타낼 수 있다. 여기서, 임의의 변수는 의 기본 영역에서 균등하게 분포된다. In order to view the ratio obtained at the
그러면, 정보율은 다음의 <수학식 14>를 만족한다. Then, the information rate satisfies Equation 14 below.
여기서, 는 일반화된 의 두 번째 시간(second moment)이다. 두 번째 시간(second moment)에서, 화이트 가우시안 랜덤 벡터는 임의의 벡터 중 극대의 엔트로피를 가지므로, <수학식 13>에 따라 다음의 <수학식 15>를 얻을 수 있다. here, Generalized Is the second moment of. At the second moment, since the white Gaussian random vector has the maximum entropy of any vector, the following
또한, 다음의 <수학식 16>을 얻을 수 있다. In addition, the following Equation 16 can be obtained.
임의의 양의 값 및 충분히 큰 블록 사이즈 n을 가정하면, n 개로 분할된 격자 L은 다음의 <수학식 17>을 만족한다. Any positive value And a sufficiently large block size n, n divided gratings satisfy the following equation (17).
또한, 임의의 양의 값 및 충분히 큰 블록 사이즈에서, 과 같은 부격자(sublattice)를 가지는 격자를 선택하면, 다음의 <수학식 18>과 같이 나타낼 수 있다. Also, any positive value And at a sufficiently large block size, If a lattice having a sublattice as follows is selected, it can be expressed as Equation 18 below.
이것은 조악한 격자(coarse lattice)의 적절한 선택에 의하여 캐패시티에 근접할 수 있음을 나타낸다. 이것은 제1 수신기(100)의 더티 패이퍼 코딩(dirty-paper coding)에 따른 비율(the rate)이 <수학식 6>을 만족함을 알 수 있다. This indicates that the capacity can be approximated by appropriate selection of coarse lattice. This can be seen that the rate according to the dirty-paper coding of the
제2 수신기(200)는 격자 디코딩을 수행한다. 격자 디코딩은 선형 시간에서 스피어 디코딩에 따라 수행된다. 제2 수신기(200)에서 수신하는 신호는 다음의 <수학식 19>와 같다. The
제2 수신기(200)의 더티 페이퍼 디코딩은 에 따른 모듈로 연산에 의거하여, 선형 필터링(linear filtering) 및 디터 제거(dither remoivng)에 따라 처리되며, 이러한 디코딩은 다음의 <수학식 20>과 같다.Dirty paper decoding of the
여기서, 는 MMSE 스케일링 팩터(the MMSE scaling factor)에서 선택된 값이며, 는 이다. here, Is the MMSE scaling factor Is selected from Is to be.
디더()에 따라서, 격자 코딩의 출력(v)은 의 중요 지역에서 균등하다. 여기서, 는 에 독립적이다. 또한, u 및 는 에 독립적이다. <수학식 9>에 따라, 격자 코딩의 출력(v)은, 및 u가 독립적인 맥락에 따라, u에 독립적인 에서 유니폼하다. Dither ( According to the output of the grid coding (v) Even in important areas of the here, Is Is independent. U and Is Is independent. According to
이에 따라, 는 와 그 배치가 균등하다. 또한, 는 다음의 <수학식 21>을 만족한다. Accordingly, Is And the arrangement is even. Also, Satisfies Equation 21 below.
동일한 방법으로 <수학식 15>에 따라 다음의 <수학식 22>를 도출할 수 있다. In the same way, the following Equation 22 can be derived according to
그러면, 메시지()와 격자 디코딩 출력() 간의 정보율은 다음의 <수학식 23>을 만족한다. Then, the message ( ) And grid decoded output ( ), The information rate satisfies Equation 23 below.
이때, <수학식 17>을 만족하는 격자를 로 선택할 경우, 다음의 <수학식 24>를 얻을 수 있다. At this time, a
<수학식 24>는 어떤 임의의 양의 수 및 충분히 큰 블록 사이즈 n을 가지는 경우에 만족한다. 이에 따라, <수학식 7>을 만족함을 알 수 있다. Equation 24 is any random number And a sufficiently large block size n. Accordingly, it can be seen that
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 더티 페이퍼 코딩 및 디코딩 방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a dirty paper coding and decoding method according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 코딩 방법을 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 인코딩 방법을 설명하기 위한 도면이다. First, a dirty paper coding method using a nested grating according to an embodiment of the present invention will be described. 5 is a view for explaining a dirty paper encoding method using a nested grid according to an embodiment of the present invention.
도3 및 도 4에서, 격자들(1 내지 9, 10 내지 90) 각각은 미세 격자이며, 3*3의 단위 유닛을 가지며, 동일한 행 및 열에 위치한 단위 유닛은 동일한 값을 가진다. 미세 격자들을 모두 합한 격자, 즉, 도면 부호 1 내지 9를 모두 합한 영역의 격자와, 도면 부호 10 내지 90을 모두 합한 영역의 격자는 성근(coarse) 격이다. 여기서, 간섭(S)은 송신기(300)가 구비한 다른 안테나를 통해 제2 수신기(200)에 송신하고자 하는 신호를 제1 수신기(100)가 수신하는 신호()를 말한다. 3 and 4, each of the
도3을 참조하는 종래의 기술에 따르면, 송신기(300)가 제2 단말이 수신하는 신호를 나타내는 도면 부호 15는 간섭(S)을 나타내며, 간섭(S)는 격자점(13)에 정확히 일치하지 않는다. 반면, 본 발명의 실시 예에 따르면, 송신기(300)는 501 단계에서 간섭 S(101)가 격자점에 위치하도록 격자를 스케일링한다.According to the prior art with reference to FIG. 3,
격자의 스케일링은 앞서 설명한 바와 같이, 제2 단말(200)의 격자를 스케일링할 수도 있다. 또한, 제1 단말(100)의 격자를 스케일링할 수도 있다. 이때, 스케일링 비율은 <수학식 6> 또는 <수학식 7>에 따른다. As described above, scaling of the grating may scale the grating of the
그런 다음, 송신기(300)는 503 단계에서 송신하고자 하는 데이터()에서 간섭(S)을 뺀다. 이와 같이, 송신하고자 하는 데이터()에서 간섭(S)을 뺀 값()(103) 또한 도면 부호 10이 지시하는 격자의 격자점에 위치한다. 앞서 설명한 바와 같이, 모든 단위 격자 각각(10 내지 90)은 동일한 위치에서 동일한 값을 가진다. Next, the
이러한 경우, DPC 코딩 방법에 따라, 송신기(300)는 505 단계에서 송신하고자 하는 데이터()에서 간섭(S)을 뺀 값(103)을 기본 격자(Fundamental Voronoi Region)(90)에 동일한 위치에 그 값(105)을 매핑시킨다. 이는 <수학식 9>에 따라 스케일링된 격자를 이용한 모듈로 연산을 통해 이루어진다. In this case, according to the DPC coding method, the
간섭을 격자점에 정확히 매치되도록 스케일링하였으므로, 격자의 스케일링에 따라 스케일링된 간섭(101), 제1 송신기(100)에 전송하고자 하는 신호()에서 간섭(101)을 뺀 값(103) 및 그 값(103)을 기본 격자(90)의 동일한 위치에 매핑시킨 값(105) 모두 격자점에 일치하게된다. Since the interference is scaled to exactly match the lattice point, the scaled
다음으로, 송신기(300)는 507 단계에서 상술한 바와 같이 DPC된 신호를 제1 송신기(100)에 전송한다. Next, the
상술한 본 발명을 도 3과 비교하면, 도 3의 종래 기술은 간섭(15), 전송하고자 하는 신호()에서 간섭을 뺀 값(11) 및 데이터에서 간섭을 뺀 값을 기본 격자에 매핑시킨 값(17) 모두 격자점에 일치하지 않으므로, 종래기술은 DPC 코딩 방법의 복잡도가 증가한다. 반면, 본 발명의 실시 예에 따르면, 간섭(101)을 스케일링하여 격자점에 위치시킴으로써, 전송하고자 하는 신호에서 간섭을 뺀 값(103)과, 기본 격자에 매핑시킨 값(105) 모두 격자점에 정확히 일치되므로, 그 DPC 코딩의 복잡도를 줄일 수 있다. Comparing the present invention described above with FIG. 3, the prior art of FIG. Since the subtracted interference (11) and the data obtained by subtracting the interference from the data (17) do not coincide with the lattice points, the complexity of the DPC coding method increases in the prior art. On the other hand, according to an exemplary embodiment of the present invention, by scaling the
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 더티 페이퍼 디코딩 방법에 대해서 설명하기로 한다. Next, a dirty paper decoding method according to an embodiment of the present invention will be described.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩 방법을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a view for explaining a dirty paper decoding method using a nested grating according to an embodiment of the present invention.
도5에서 설명한 바와 같이, 송신되는 데이터는 앞서 설명한 바와 같이, 잡음을 뺀 상태로 전송되므로, 수신기가 수신하는 신호는 잡음이 다시 더한 신호가 됨을 유의하여야 한다. As described above with reference to FIG. 5, since the data to be transmitted is transmitted without noise, it is to be noted that the signal received by the receiver becomes a signal with noise added again.
도6을 참조하면, 제1 수신기(100)는 S601 단계에서 송신기(300)으로부터 신호를 수신한다. 제1 수신기(100)가 수신한 신호는 도 5에서 설명한 바와 같이, 송신기(300)이 제1 수신기(100)에 전송하고자 하는 신호에서 제2 수신기(200)에 전송하고자 하는 신호를 뺀 신호와, 제2 수신기(200)에 전송하고자 하는 신호를 포함한다. 이에 따라, <수학식 12>에 따라 송신기(300)가 제2 수신기(300)에 전송하고자 하는 신호는 서로 소거된다. Referring to FIG. 6, the
따라서, 제1 수신기(100)는 S603 단계에서 스케일링된 격자를 이용한 모듈로 연산을 수행함으로써 자신의 신호를 쉽게 복원할 수 있다. Accordingly, the
앞서 설명한 바와 같이, 스케일링 비율은 <수학식 6> 또는 <수학식 7>에 따르며, 제1 또는 제2 송신기(100, 200)의 격자 중 어느 하나를 스케일링 할 수 있다. As described above, the scaling ratio is based on Equation 6 or
상술한 바와 같은 본 발명은 방송 채널의 더티 페이퍼 코딩을 위한 코드를 설계하는 간결한 접근 방안을 제공하는 네스티드 격자 코딩 방법을 제안한다. 이러한 간결함은 선형 시간 인코딩 및 구형 디코딩을 허용하는 네스티드 격자를 이용함으로써 가능한 것이다. 이러한 접근법으로 MISO 방송 채널을 위한 용량이 달성될 수 있다.As described above, the present invention proposes a nested lattice coding method that provides a concise approach for designing a code for dirty paper coding of a broadcast channel. This simplicity is made possible by using nested gratings that allow linear time encoding and spherical decoding. In this approach, capacity for the MISO broadcast channel can be achieved.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다. While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. As such, those of ordinary skill in the art will appreciate that various changes and modifications can be made according to equivalents without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims.
Claims (8)
상기 적어도 2개의 서로 다른 수신기 중 어느 일 수신기에 대해 타 수신기의 간섭이 상기 일 수신기의 격자의 격자점에 위치하도록 격자를 스케일링 하는 과정과,
모듈로 연산을 통해 상기 일 수신기의 격자의 기본 격자에 상기 일 수신기에 전송할 신호에서 상기 간섭을 뺀 신호를 매핑시키는 과정과,
상기 매핑시킨 신호를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 인코딩 방법.In the dirty paper encoding method using a nested grating of the transmitter for transmitting a signal to at least two different receivers,
Scaling a grid such that, for any one of the at least two different receivers, interference of another receiver is located at a grid point of the grid of the one receiver;
Mapping a signal obtained by subtracting the interference from a signal to be transmitted to the one receiver to a basic grid of the lattice of the one receiver through a modulo operation;
And transmitting the mapped signal to the dirty paper encoding method using a nested grating of the transmitter.
상기 일 수신기 및 상기 타 수신기 중 어느 하나의 수신기의 격자를 스케일링하는 것을 특징으로 하는 송신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 인코딩 방법. The method of claim 1 wherein the scaling is
And scaling the grid of any one of the one receiver and the other receiver.
수학식 및 중 적어도 하나에 따라 스케일링하며, 상기 N은 잡음이고, 상기 은 전력 제한이며, , , 이고, 및 는 상기 일 수신기 및 상기 타 수신기로부터 수신하는 채널 정보에 따라 결정되며, a 및 b는 벡터인 것을 특징으로 하는 송신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 인코딩 방법. The method of claim 2, wherein the scaling
Equation And Scaling according to at least one of, wherein N is noise, Is the power limit, , , ego, And Is determined according to channel information received from the one receiver and the other receiver, and a and b are vectors, characterized in that the dirty paper encoding method using a nested grid of the transmitter.
모듈로 연산에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는 송신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 인코딩 방법. The method of claim 2, wherein the mapping process
Dirty paper encoding method using a nested grating of the transmitter, characterized in that according to the modulo operation.
상기 송신기가 전송한 신호를 수신하는 과정과,
상기 신호를 스케일링된 격자를 이용하여 모듈로 연산을 통해 디코딩하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩 방법. In the dirty paper decoding method using a nested grid of any one receiver receiving a signal transmitted by a transmitter for transmitting a signal to at least two different receivers,
Receiving a signal transmitted by the transmitter;
And decoding the signal through a modulo operation using a scaled grating.
상기 모듈로 연산 전, 선형 필터링 및 디더 제거 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩 방법.The method of claim 5, wherein the decoding is performed.
And a linear filtering and dither removing process prior to the modulo operation.
상기 적어도 2개의 서로 다른 수신기 중 어느 하나의 수신기의 격자를 스케일링하는 것을 특징으로 하는 수신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩 방법. 6. The method of claim 5, wherein said scaling
And scaling the grid of any one of said at least two different receivers.
수학식 및 중 적어도 하나에 따라 스케일링하며, 상기 N은 잡음이고, 상기 은 전력 제한이며, , , 이고, 및 는 상기 일 수신기 및 상기 타 수신기로부터 수신하는 채널 정보에 따라 결정되며, a 및 b는 벡터인 것을 특징으로 하는 수신기의 네스티드 격자를 이용한 더티 페이퍼 디코딩 방법.8. The method of claim 7, wherein said scaling is
Equation And Scaling according to at least one of, wherein N is noise, Is the power limit, , , ego, And Is determined according to channel information received from the one receiver and the other receiver, and a and b are vectors, characterized in that the dirty paper decoding method using the nested grid of the receiver.
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