KR20110062473A

KR20110062473A - Method and apparatus for tansmitting and receiving data in a multiple input mutiple output communication system

Info

Publication number: KR20110062473A
Application number: KR1020090119212A
Authority: KR
Inventors: 김은용; 박종현; 성원진; 황근철
Original assignee: 삼성전자주식회사; 서강대학교산학협력단
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-10
Also published as: KR101662316B1

Abstract

PURPOSE: A method and device for transceiving data are provided to achieve theoretical transmission data rate under maximum power restriction which is available for transmission per base station. CONSTITUTION: A plurality of terminals receives a downlink signal from base stations in which power constraint conditions per antenna exists. A plurality of terminals controls a gain of the downlink signal by using transmission preprocess matrix. A plurality of base stations receives an uplink signal from the terminals. A sending line processing matrices is disassembled to first matrices and second matrices.

Description

METHOD AND APPARATUS FOR TANSMITTING AND RECEIVING DATA IN A MULTIPLE INPUT MUTIPLE OUTPUT COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output, 이하, 'MIMO'라 칭하기로 한다) 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for transmitting and receiving data in a multiple input multiple output (hereinafter referred to as "MIMO") communication system.

일반적으로, MIMO 통신 시스템은 단일 안테나를 사용하는 셀룰라(cellular) 시스템에 비해 시스템의 성능이 향상되고 대역폭 등의 효율이 증가하는 장점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 MIMO 통신 시스템은 실제 셀룰라 환경에 적용 시, 셀(cell)의 내부 또는 외부로부터의 간섭 신호들로 인해 실제 송신 수율이 열화되는 현상이 발생한다. 특히, 단말이 셀들 간의 커버리지(coverage) 경계 지역에 위치한 경우, 상기 단말에게 인접 셀들에 위치한 인접 기지국들로부터 수신되는 간섭 신호의 크기가, 현재 통신 중인 서빙 BS로부터 수신되는 신호의 크기와 비슷하거나 더 큰 현상이 빈번히 발생한다. 따라서 상기 현상을 해소하기 위해 셀 간의 협력적 신호 송신을 고려하는 분산 MIMO 통신 시스템이 최근 제시되고 있다.In general, MIMO communication system has the advantage that the performance of the system and the efficiency, such as bandwidth is increased compared to the cellular (cellular) system using a single antenna. Nevertheless, when the MIMO communication system is applied to an actual cellular environment, the actual transmission yield may be degraded due to interference signals from inside or outside of a cell. In particular, when the terminal is located in a coverage boundary area between cells, the size of the interference signal received from neighboring base stations located in neighboring cells to the terminal is similar to or greater than the size of the signal received from the serving BS in communication. Large phenomena occur frequently. Therefore, a distributed MIMO communication system has recently been proposed to consider cooperative signal transmission between cells in order to solve the above phenomenon.

이러한 분산 MIMO 통신 시스템은, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 혹은 전용 회선으로 제어국과 연결되어 구성되며, 상기 기지국들은 각각 서로의 정보들을 공유하여 이를 활용한다. 따라서 상기 분산 MIMO 통신 시스템에서는 인접 기지국들로부터 수신되는 신호가 단순히 간섭 신호가 아니라, 상기 서빙 기지국으로부터 수신되는 신호와 함께 신호 품질을 크게 향상시킬 수 있는 기지국간 협력적 신호로써 사용된다. In such a distributed MIMO communication system, geographically dispersed base stations are connected to a control station by wire or dedicated line, and the base stations share and utilize information of each other. Therefore, in the distributed MIMO communication system, signals received from neighboring base stations are not simply interference signals, but are used as cooperative signals between base stations that can greatly improve signal quality with signals received from the serving base station.

임의의 MS에 대해서 다수의 기지국으로부터의 협력적 신호를 송신하는 방안으로는 다음과 같은 기법들이 있다.구 체적으로, 두 개의 인접 기지국으로부터의 시공간 블록 부호화(Space-Time Block Coding, 이하, 'STBC'라 칭하기로 한다) 기법과, 동일 이득 송신(Equal Gain Transmission, 이하, 'EGT'라 칭하기로 한다) 기법 및 최대 비율 송신(Maximum Ratio Transmission, 이하, 'MRT'라 칭하기로 한다) 기법 등이 포함된다.Techniques for transmitting cooperative signals from multiple base stations for any MS include the following schemes. Specifically, Space-Time Block Coding (hereinafter referred to as 'STBC') from two neighboring base stations. "Equal Gain Transmission" (hereinafter referred to as "EGT") and Maximum Ratio Transmission (hereinafter referred to as "MRT") techniques. Included.

한편, 다수의 MS들에 대한 MIMO(Multi-User MIMO, 이하, 'MU-MIMO'라 칭하기로 한다) 방안으로는 대표적으로 영점 강제화(Zero-Forcing, 이하, 'ZF'라 칭하기로 한다) 빔포밍(beam forming) 송신 방안 및 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding, 이하, ' DPC'라 칭하기로 한다)을 활용하는 ZF-DPC 방안 등이 알려져 있다. 한편, ZF 기반 송신 방안의 성능을 보다 향상시키기 위해, 단말 별 송신 신호에 전력 제어 (Power Control, 이하, 'PC'라 칭하기로 한다) 알고리즘을 적용함으로써, 송신 선처리 행렬을 최적화하는 것이 가능하다.On the other hand, as a MIMO (Multi-User MIMO, hereinafter referred to as 'MU-MIMO') scheme for a plurality of MSs, a Zero-Forcing (hereinafter, referred to as 'ZF') beam is typically represented. There are known beamforming transmission schemes and ZF-DPC schemes utilizing dirty paper coding (hereinafter referred to as DPC). On the other hand, in order to further improve the performance of the ZF-based transmission scheme, it is possible to optimize the transmission preprocessing matrix by applying a power control (hereinafter referred to as "PC") algorithm to the transmission signal for each terminal.

상기의 다양한 기법 및 방안들을 통해서 분산 기지국을 셀룰라 시스템에 적용할 수 있다. 그러나, 송신 안테나 당 최대 송출 가능한 전력 제약 조건 (Per-Antenna Power Constraint, 이하, 'PAPC'라 칭하기로 한다)하의 분산 MIMO 통신 시스템에서 이론적인 송신 데이터 율을 달성하는 최적의 빔포밍 방안은 현재까지 제안되지 않고 있다. Through the various techniques and methods described above, a distributed base station may be applied to a cellular system. However, the optimal beamforming scheme to achieve the theoretical transmit data rate in distributed MIMO communication systems under the maximum transmittable power constraint (per-Antenna Power Constraint, hereinafter referred to as 'PAPC') per transmit antenna is to date. It is not proposed.

본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치를 제안한다.The present invention proposes a method and apparatus for transmitting and receiving data in a MIMO communication system.

또한, 본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 기지국 당 송신 가능한 최대 전력 제약 조건 하에서 이론적인 송신 데이터 율을 달성하는 데이터 송수신 방법 및 장치를 제안한다.In addition, the present invention proposes a data transmission / reception method and apparatus for achieving a theoretical transmission data rate under a maximum power constraint that can be transmitted per base station in a MIMO communication system.

본 발명에서 제안하는 방법은: 다수의 단말들과 다수의 기지국들을 포함하는 다중 입출력 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법에 있어서, 상기 단말들 각각이 안테나 별 전력 제약 조건이 존재하는 상기 기지국들로부터 하향링크 신호를 수신하는 과정과, 상기 단말들 각각이 송신 선처리 행렬을 사용하여 상기 하향링크 신호의 이득을 조절하는 과정과, 상기 기지국들 각각이 상기 단말들로부터 상향링 크 신호를 수신하는 과정을 포함하며; 상기 송신 선처리 행렬은 빔포밍 복소 열 벡터들을 포함하는 제1행렬과, 각 단말에게 송신된 신호에 대한 전력 제어 변수를 대각 원소로 포함하는 제2행렬로 분해되고, 상기 전력 제어 변수는 음이 아니며, 상기 상향링크 신호는 상기 하향링크 신호들을 나타내는 하향링크 채널 행렬의 허미션(hermitian)을 취한 행렬을 사용하여 나타내고, 상기 하향링크 채널 행렬은 간섭 및 잡음 신호의 분산을 미리 설정한 값으로 생성하는 자동 이득 조절을 통해서 재구성되는 행렬임을 특징으로 한다.The method proposed by the present invention is a method for transmitting and receiving data in a multiple input / output communication system including a plurality of terminals and a plurality of base stations, each of the terminals is downward from the base stations having power constraints for each antenna Receiving a link signal, adjusting the gain of the downlink signal by each of the terminals using a transmission preprocessing matrix, and receiving each of the base stations by receiving an uplink signal from the terminals. To; The transmission preprocessing matrix is decomposed into a first matrix including beamforming complex column vectors and a second matrix including diagonal elements of power control variables for a signal transmitted to each terminal, and the power control variable is not negative. The uplink signal is represented using a matrix that takes a hermitian of a downlink channel matrix representing the downlink signals, and the downlink channel matrix generates a dispersion of interference and noise signals to a predetermined value. The matrix is reconstructed through automatic gain adjustment.

본 발명에서 제안하는 장치는; 다중 입출력 통신 시스템에서, 안테나 별 전력 제약 조건이 존재하는 상기 기지국들로부터 하향링크 신호를 수신하고, 송신 선처리 행렬을 사용하여 상기 하향링크 신호의 이득을 조절하는 다수의 단말들과, 상기 단말들로부터 상향링크 신호를 수신하는 다수의 기지국들을 포함하며; 상기 송신 선처리 행렬은 빔포밍 복소 열 벡터들을 포함하는 제1행렬과, 각 단말에게 송신된 신호에 대한 전력 제어 변수를 대각 원소로 포함하는 제2행렬로 분해되고, 상기 전력 제어 변수는 음이 아니며, 상기 상향링크 신호는 상기 하향링크 신호들을 나타내는 하향링크 채널 행렬의 허미션(hermitian)을 취한 행렬을 사용하여 나타내고, 상기 하향링크 채널 행렬은 간섭 및 잡음 신호의 분산을 미리 설정한 값으로 생성하는 자동 이득 조절을 통해서 재구성되는 행렬임을 특징으로 한다.The device proposed in the present invention; In a multiple input / output communication system, a plurality of terminals for receiving a downlink signal from the base stations having power constraints for each antenna and adjusting the gain of the downlink signal using a transmission preprocessing matrix, and from the terminals A plurality of base stations for receiving an uplink signal; The transmission preprocessing matrix is decomposed into a first matrix including beamforming complex column vectors and a second matrix including diagonal elements of power control variables for a signal transmitted to each terminal, and the power control variable is not negative. The uplink signal is represented using a matrix that takes a hermitian of a downlink channel matrix representing the downlink signals, and the downlink channel matrix generates a dispersion of interference and noise signals to a predetermined value. The matrix is reconstructed through automatic gain adjustment.

본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 데이터 송 수신 시, 기지국 당 송신 가능한 최대 전력 제약 조건 하에서의 이론적인 송신 데이터 율을 달성하는 최적의 빔포밍 방식 및 그에 따른 단말 별 송신 신호의 전력 제어 방안을 제공함으로써, 송신 데이터율의 최대화를 목적으로 하는 시스템 운용 시 최적의 방안으로 활용될 수 있는 효과가 있다. 본 제안 방식은 분산 기지국을 활용하는 셀룰라 시스템 뿐만 아니라, 집중식 MIMO 시스템에서 송신 안테나당 PAPC가 고려되는 경우에도 모두 최적의 성능을 나타내므로, 높은 송신 데이터율이 요구되고 있는 차세대 통신 시스템 운용에 널리 활용될 수 있는 효과가 있다.The present invention provides an optimal beamforming scheme that achieves the theoretical transmission data rate under the maximum power constraint that can be transmitted per base station in the MIMO communication system, and accordingly, a method for controlling power of a transmission signal for each terminal. There is an effect that can be used as an optimal method when operating the system for the purpose of maximizing the data rate. The proposed method shows the best performance even when the PAPC per transmitting antenna is considered in the centralized MIMO system as well as the cellular system using the distributed base station. Therefore, the proposed scheme is widely used in the operation of the next generation communication system requiring high transmission data rate. There is an effect that can be.

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.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.

본 발명은 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output, 이하, 'MIMO'라 칭하기로 한다) 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명에서는 분산 기지국들 간에 협력적 신호의 송신 시, 단말 별 송신 데이터 율을 합산한 합산값이 송신 안테나 당 최대 송출 가능한 전력 제약 조건 (Per-Antenna Power Constraint, 이하, 'PAPC'라 칭하기로 한다)를 만족하면서 최대화되는 빔포밍 방식 및 이에 따른 단말 별 송신 신호의 최적 PC 방식을 제 안한다. 본 발명은, PAPC가 고려된 집중형 MIMO 시스템에도 적용 가능하며, 임의의 송수신 안테나 수를 확장한 MIMO 시스템에서도 적용 가능함은 물론이다.The present invention provides a method and apparatus for transmitting and receiving data in a multiple input multiple output (hereinafter referred to as 'MIMO') communication system. More specifically, in the present invention, when the cooperative signal is transmitted between distributed base stations, the sum of the transmission data rates for each terminal is the maximum transmit power constraint per transmit antenna (Per-Antenna Power Constraint, hereinafter, 'PAPC'). We propose a beamforming method that is maximized while satisfying the above) and an optimal PC method of transmission signals for each terminal. The present invention can be applied to a centralized MIMO system in which PAPC is considered, and can also be applied to a MIMO system in which an arbitrary number of transmit / receive antennas is extended.

본 발명에서는 상기 빔포밍 방식의 성능을 평가하기 위해, 송신 안테나 별 송신 전력의 총 합산 값이 특정 임계값 이하를 만족해야 하는 최대 전력 제약 조건 (Total Power Constraint, 이하, 'TPC'라 칭하기로 한다)을 적용한다. 즉, 상기 TPC 를 만족하는 최적 빔포머를 PAPC를 만족하는 MIMO 통신 시스템에 적용시킬 경우, 각 송신안테나 별로 할당된 TPC를 만족하는 송신 안테나들의 전력 중 상기 PAPC에 따라 상기 각 송신 안테나 별로 할당되어 있는 최대 가능 송신 전력을 초과하는 전력을 갖는 안테나들이 발생하는 문제점이 발생한다. 이로 인하여 분산 MIMO 통신 시스템 등과 같이 송신 안테나 별 최대 가능 송신 전력이 필수적인 제약 조건이 되는 통신 시스템에서 상기 TPC 기반의 송신 방안을 그대로 사용할 경우 성능 열화가 발생한다.In the present invention, in order to evaluate the performance of the beamforming scheme, a total power constraint in which the total sum of the transmit powers of the transmit antennas must satisfy a predetermined threshold or less will be referred to as a total power constraint (hereinafter, referred to as 'TPC'). ). That is, when the optimal beamformer satisfying the TPC is applied to the MIMO communication system satisfying the PAPC, the transmit antennas satisfying the TPC allocated to each transmit antenna are allocated to each transmit antenna according to the PAPC. The problem arises where antennas with power exceeding the maximum possible transmit power occur. As a result, performance degradation occurs when the TPC-based transmission scheme is used in a communication system in which a maximum possible transmit power for each transmit antenna is an essential constraint such as a distributed MIMO communication system.

따라서 본 발명에서는 섹터화된 셀룰라 시스템의 구조를 사용하여 해당 섹터 내에서 사용자가 균등 분포할 때의 셀 평균 전송 데이터율의 성능 비교와, PAPC를 만족하는 MIMO 통신 시스템에서의 다양한 빔 포밍 방식 등의 비교 및 새로운 송신 선처리 행렬 구조 등을 사용하여, 최적의 빔 포밍 방식과 그에 따른 최적 PC 방안을 제안한다.Therefore, the present invention uses the structure of the sectorized cellular system to compare the performance of the cell average transmission data rate when the users are uniformly distributed in the sector, and to perform various beamforming methods in the MIMO communication system satisfying the PAPC. Using the comparison and the new transmission preprocessing matrix structure, we propose the optimal beamforming method and the optimal PC scheme accordingly.

이하, 도 1을 참조하여, 분산 MIMO 통신 시스템을 구성하는 분산 기지국들을 통해서 협력적 신호를 송신하는 동작을 설명하기로 한다.Hereinafter, an operation of transmitting a cooperative signal through distributed base stations constituting a distributed MIMO communication system will be described with reference to FIG. 1.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 통신 시스템의 구성도의 일 예이다.1 is an example of configuration diagram of a distributed MIMO communication system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 기지국 1 내지 5는 제어국과 유선 또는 전용회선으로 연결되어, 상기 기지국 1 내지 5 간에 정보 교류를 수행하고, 협력적 신호를 해당 단말에게 송신한다. 일 예로, 상기 기지국 1 내지 5는 동일한 주파수 대역을 사용하여 신호를 송신하며, 주파수 재사용 계수가 1이라 가정한다. Referring to FIG. 1, base stations 1 to 5 are connected to a control station by wire or dedicated line, perform information exchange between the base stations 1 to 5, and transmit a cooperative signal to a corresponding terminal. For example, the base stations 1 to 5 transmit signals using the same frequency band, and assume that the frequency reuse factor is one.

단말 1 내지 4 각각은 하나의 인접 기지국 즉, 상기 기지국 3 혹은 기지국 2로부터 비협력적 송신 (Non-Collaborative Transmission, 이하, 'NCT'라 칭하기로 한다) 신호를 수신할 수도 있고, 동일 이득 송신(Equal Gain Transmission, 이하, 'EGT'라 칭하기로 한다) 기법과 같은 협력적 신호를 수신함으로써 향상된 신호 품질을 제공받을 수도 있다. 또한, 상기 단말 1 내지 4 각각은 MU-MIMO 송신 방식에 따라 자신의 서빙 기지국이 아닌 인접 기지국들로부터 송신된 다른 단말들을 위한 신호들 역시 함께 수신할 수도 있다. Each of the terminals 1 to 4 may receive a non-collaborative transmission (Non-Collaborative Transmission, hereinafter 'NCT') signal from one neighboring base station, that is, the base station 3 or the base station 2, and the same gain transmission ( Improved signal quality may be provided by receiving cooperative signals such as Equal Gain Transmission, hereinafter referred to as 'EGT' technique. In addition, each of the terminals 1 to 4 may also receive signals for other terminals transmitted from neighboring base stations other than its serving base station according to the MU-MIMO transmission scheme.

본 발명에서는 협력적 신호의 송신에 참여하는 기지국의 수를 M으로, 상기 협력적 신호를 수신하는 단일 송신 안테나를 장착한 단말의 수를 K로 정의한다.In the present invention, the number of base stations participating in the cooperative signal transmission is defined as M, and the number of terminals equipped with a single transmit antenna for receiving the cooperative signal is defined as K.

하기 <수학식 1>은 하향링크에서의 수신 신호 모델을 나타낸다.Equation 1 shows a received signal model in downlink.

여기서,

은 네트워크 채널 행렬을 의미하고, 상기 H의 원소인

는 k번째 단말과 m번째 기지국 사이의 채널이득을 나타내고, 상기 H의 원소들은 각각 평균이 '0'인 복소 가우시안 랜덤 변수이다. G는 송신 선처리 행렬로서 본 발명에서 최적화하려는 대상이다.

는

을 만족하는, k번째 단말이 송신하고자 하는 심볼을 나타내고,

는 평균 전력

= E[|z _k |²]를 갖는 단말에서의 열잡음을 포함하는, 외부 기지국으로부터의 간섭 신호를 나타낸다.here,

Denotes a network channel matrix, and is an element of H

Denotes the channel gain between the k- th terminal and the m- th base station, and the elements of H are complex Gaussian random variables each having an average of '0'. G is a transmission preprocessing matrix and is an object to be optimized in the present invention.

Is

Indicates a symbol to be transmitted by the k- th terminal, which satisfies

Is the average power

= E [| z _k | Interference signal from an external base station, including thermal noise at a terminal having ² ].

이때, 기지국 m 에서 송신 가능한 최대 전력을

이라 정의하면, 상기

은 하기 <수학식 2>와 같이 나타내어지는 PAPC를 만족해야 한다.At this time, the maximum power that can be transmitted from the base station m

If you define this,

Must satisfy the PAPC represented by Equation 2 below.

여기서, 하기 <수학식 3>과 같이 나타내어지는 TPC를 적용할 경우, 상기 송신 선처리 행렬인 G의 프로비니우스 놈(Frobenius norm) 즉,

의 제곱이 모 든

의 합 이하를 만족해야 한다.In this case, when the TPC represented by Equation 3 is applied, the Frobenius norm of G , the transmission preprocessing matrix,

All squares of

Must be less than or equal to

한편, 상기 송신 선처리 행렬 G는 복소 행렬로서, 단위 놈(norm)을 갖는 빔포밍 복소 열벡터 v _k 들로 구성된 행렬 V= [v ₁ … v _K ] 및 단말 별 송신 신호에 대한 전력제어 변수로서, 음수가 아닌 않는 q _k 를 대각 원소로 갖는 대각 행렬 Q을 사용하여 하기 <수학식 4>와 같이 분해된다.On the other hand, the transmission preprocessing matrix G is a complex matrix, a matrix consisting of beamforming complex column vectors v _k having a unit norm V = [ v ₁ ... v _K ] and a power control variable for the transmission signal for each terminal, are resolved as shown in Equation 4 using a diagonal matrix Q having a non-negative q _k as a diagonal element.

G = VQ ^1/2 G = VQ ^1/2

이하, 본 발명에서 제안하는 최적 빔포밍 및 그에 따른 PC 방식은, 상기 <수학식 4>와 같이 행렬 V와 Q로 분해되는 상기 송신 선처리 행렬 G를 사용한다. Hereinafter, the optimal beamforming proposed by the present invention and the PC method according thereto are as shown in Equation 4 above. Factorized into matrices V and Q The transmission preprocessing matrix G is used.

먼저, k 번째 단말에서 신호를 수신할 때, 상기 k 번째 단말은 상기 신호의 해당 수신 심볼

에

을 곱하여 간섭 및 잡음 신호의 분산 E[|z _k |²]을 항 상 1로 만드는 자동 이득 조절(Automatic Gain Control, 이하, 'AGC'이라 칭하기로 한다.)을 선행한다고 가정한다. 또한, 본 발명에서 제안하는 최적 빔포밍 및 그에 따른 PC 방식은, 상기한 단말의 AGC 동작을 통해서 재구성된 채널 행렬 H 및 상기 k 번째 단말에 대한 채널 행 벡터 h _k = [h _k ₁ … h _kM ] 를 정의하여 사용한다.First, upon receipt of the signal from the k-th terminal, the received symbol of the k-th terminal is the signal

on

Multiply the variance of the interference and noise signals by E [| z _k | ² is assumed to precede Automatic Gain Control (hereinafter referred to as "AGC") which always makes 1. In addition, the present invention optimal beamforming and therefore the PC scheme in accordance proposed in is reconstructed through the AGC operation of the terminal channel matrix H and the channel row vector for the k-th terminal h _{_k} = [h _k ₁ ... h _kM ] is used.

이하, 본 발명의 제1실시 예에서는 PAPC 하의 분산 MIMO 통신 시스템에서 이론적인 데이터 율을 획득할 수 있는 최적 빔포밍 방식을 설명하기로 한다.In the first embodiment of the present invention, an optimal beamforming method for obtaining a theoretical data rate in a distributed MIMO communication system under PAPC will be described.

일반적으로, 하향링크에서의 송신 선처리 행렬 G의 최적화는 논-컨벡스(non-convex) 현상으로 인해 전체 탐색과 같은 탐색 기법이 불가피하다. 반면, 하향링크 채널 행렬의 허미션(Hermitian)에 해당하는 H ^H 를 듀얼(dual) 상향링크의 채널 행렬로 사용할 경우, 하기 <수학식 5>와 같이 컨벡스 현상이 최적화되는 상향링크에서의 수신 신호 모델이 나타내어진다.In general, the optimization of the transmission preprocessing matrix G in the downlink is inevitable due to the non-convex phenomenon. On the other hand, when H ^H corresponding to the Hermitian of the downlink channel matrix is used as a dual uplink channel matrix, the received signal in the uplink in which the convex phenomenon is optimized as shown in Equation 5 below. The model is represented.

여기서, P는 상향링크에서의 전력 제어 변수 p _k 를 대각 원소로 갖는 대각 행렬을 나타내며, 상기 전력 제어 변수들의 합은 하기 <수학식 6>과 같이 나타내어지 는 TPC를 만족해야 한다.Here, P denotes a diagonal matrix having a power control variable p _k as a diagonal element in the uplink, and the sum of the power control variables must satisfy a TPC represented by Equation 6 below.

u는 평균이 '0'이고, 단위 분산을 갖는 해당 단말이 송신한 송신 심볼 벡터를 나타내고, w는 미정의 공분산 행렬을 갖는 잡음 벡터를 나타낸다. 이때, 상기 듀얼 상향링크의 채널 행렬

를 사용하므로, 상향링크에서의 M개의 수신안테나는 하향링크에서의 송신안테나에 대응한다. 상기 M개의 수신안테나는 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 갖는 분산 MIMO 통신 시스템을 구성하는 기지국들의 수신 안테나들의 전체 수를 나타내며, 상기 기지국들 각각의 수신 안테나 수는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. u denotes a transmission symbol vector transmitted by a corresponding terminal having an average of '0' and unit dispersion, and w denotes a noise vector having an undefined covariance matrix. At this time, Dual uplink channel matrix

To As a result, M receive antennas in the uplink correspond to transmit antennas in the downlink. The M receive antennas represent the total number of receive antennas of base stations constituting a distributed MIMO communication system having at least one receive antenna, and the number of receive antennas of each of the base stations may be the same or different.

따라서 상기 M개의 수신안테나와 그에 대응하는 송신 안테나들을 통해서 협력적 신호의 송수신이 가능하며, 해당 수신 안테나의 수신 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio, 이하, 'SINR'이라 칭하기로 한다.)를 최대화하는 최적의 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 단말로부터 수신된 신호 별로 분리되어 유도될 수 있다. 즉, 이러한 최적의 상향링크 수신 빔포밍 벡터를

로 표시할 때, 수신 빔포밍이 적용되면 하기 <수학식 7>과 같이 나타내어진다.Therefore, it is possible to transmit and receive cooperative signals through the M reception antennas and corresponding transmission antennas, and to receive a signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of the corresponding reception antenna. The optimal uplink reception beamforming vector maximizing maximization may be derived separately for each signal received from the UE. That is, the optimal uplink receive beamforming vector

When it is represented by Equation 7, when the reception beamforming is applied, it is represented by Equation 7 below.

상기 <수학식 7>과 같이 나타내어지는 최적의 상향 링크 수신 빔 포머(former)가 상기 각 단말 별로 독립적으로 결정되면, 상기 단말 별로 수신되는 데이터 율의 합이 최대화되고, 이로 인해서 상향 링크의 용량 합이 최대화된다. 이때, 상기 상향 링크의 용량 합은, P와

를 최적화 변수 행렬로 갖는 수학식 즉, 하기 <수학식 23>과 같이 나타내어 진다. 따라서 본 발명에서는 상기 상향 링크의 용량 합이 최대화가 되는 최적점 즉, P와

의 고정 값을 획득하고 이를 통해서, 최적 빔 포밍 방식 및 PC 방안을 제안한다. 상기 P와

의 고정 값을 획득하는 구체적인 내용은 하기에서 상세히 설명하기로 한다.When the optimal uplink reception beamformer represented by Equation 7 is independently determined for each terminal, the sum of data rates received for each terminal is maximized, and thus the sum of the capacity of the uplink is maximized. This is maximized. At this time, the sum of the capacities of the uplink, P and

Is represented by the following equation (23). Therefore, in the present invention, the optimal point that maximizes the sum of the capacity of the uplink, that is, P and

We obtain a fixed value of and through this, we propose an optimal beamforming scheme and PC scheme. P and

Details of obtaining a fixed value of will be described in detail later.

이하, 상기 P와

의 고정 값이 획득되었다고 가정하고 설명하기로 한다. 상항링크에서의 수신 신호들 간의 신호 결합을 수행할 수 있는 임의의 기지국에서 SINR을 최대화하는 최적 수신 빔포머는, 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancelation, 이하, 'SIC'이라 칭하기로 한다.)를 활용하는 최소 평균 제곱 오차 (Minimum Mean Square Error, 이하, 'MMSE'라 칭하기로 한다.) 빔포밍 방식을 사용한다. 따라서 본 발명의 제1실시 예에서는 PAPC 하에서 상기 획득한

를 사용하여, 상향링크의 잡음 신호를 백색화한다. 즉, 상기 <수학식 4>와 같이 나타내어지는 상향링크에서의 수신 신호 벡터에

를 곱한 후, 벡터

방향으로 정사영하여 하기 <수학식 8>과 같은 나타내어지는 최적의 수신 빔포머의 빔포밍 벡터를 계산한다.Hereinafter, with P

It is assumed that a fixed value of is obtained. An optimal reception beamformer that maximizes SINR at any base station capable of performing signal combining between the received signals on the uplink utilizes sequential interference cancellation (hereinafter, referred to as 'SIC'). Minimum Mean Square Error (hereinafter, referred to as 'MMSE') uses a beamforming method. Therefore, in the first embodiment of the present invention obtained above under PAPC

To whiten the uplink noise signal. That is, to the received signal vector in the uplink represented by Equation 4

Multiply by

Orthogonal to the direction to calculate the beamforming vector of the optimal receiving beamformer shown in Equation (8).

이때, 상기

에 해당하는 k번째 사용자의 수신 SINR은 하기 <수학식 9>와 같이 계산된다.At this time,

The received SINR of the k-th user corresponding to is calculated by Equation 9 below.

상기 <수학식 9>를 통해서 획득한 상기

에 대한 단위 놈으로의 정규화를 적용하면, 하기 <수학식 10>과 같이 계산되는 정규화된 최적의 수신 MMSE 빔포밍 벡터가 계산된다.The obtained through the equation (9)

Applying the normalization to the unit norm with respect to, the normalized optimal received MMSE beamforming vector is calculated as shown in Equation 10 below.

상기 <수학식 10>과 같이 계산된 상향 링크에서 결정된 최적의 수신 MMSE 빔포밍 벡터 v _k 는 하향링크에서 DPC를 포함하는 빔포밍 행렬 V에 사용된다. 상기 상향링크에서 결정된 v _k 가 하기 <수학식 11>과 같이 하향링크에서도 사용될 수 있는 이유는, 상기 <수학식 1> 및 상기 <수학식 5>에서 나타낸 바와 같은 듀얼 관계를 갖는 신호 모델에서는, 임의의 빔포머에 따른 특정 상향링크의 SINR 집합에 대해 하향링크에서도 상기 임의의 빔포머를 사용할 경우, 상기 특정 상향 링크의 SINR 집합과 동일한 하향 링크의 SINR 집합을 만족하는 전력 제어 방안이 항상 존재한다는 쌍대성 원리 때문이다. The optimal received MMSE beamforming vector v _k determined in the uplink calculated as in Equation 10 is used for the beamforming matrix V including the DPC in downlink. In the to the v _k determined in the uplink <Equation 11> reasons that may be used in the downlink as shown, the <Equation 1> and a signal model having a dual relationship as shown in the <Equation 5>, When the random beamformer is used in downlink for a specific uplink SINR set according to a certain beamformer, there is always a pair of power control schemes that satisfy the same downlink SINR set as the specific uplink SINR set. Because of the greatness principle.

따라서 상기한 쌍대성 원리에 기반하여 본 발명에서 제안하는 최적의 하향링크 선처리 행렬 G를 계산한다. 먼저, 상기 <수학식 10>을 최적의 하향링크 전력 제어 행렬 Q의 원소인 최적화된 전력 제어 변수

에 대해 정리하면, 하기 <수학식 11>과 같이 나타내어진다. 상기 최적의 하향링크 전력 제어 행렬 Q는 임의의 빔 포머에 대해 상향링크의 SINR 집합과 동일한 하향링크의 SINR 집합이 존재한다.Therefore, based on the duality principle, the optimal downlink preprocessing matrix G proposed by the present invention is calculated. First, Equation 10 is an element of the optimal downlink power control matrix Q. Optimized Power Control Variables

In summary, it is represented by the following formula (11). The optimal downlink power control matrix Q has a downlink SINR set equal to the uplink SINR set for any beamformer.

상기 <수학식 12>에서 나타낸 바와 같이, 상기

는

으로부터 재귀적으로 결정되므로, 각 단말의 최적 전력 할당 값은 k = 1번째 사용자부터 순차적으로 계산된다. 또한, 상기 <수학식 12>에서 DPC의 인코딩 순서는 듀얼 상향링크의 SIC 순서와 반대이다.As shown in Equation 12,

Is

Since it is determined recursively from, the optimal power allocation value of each terminal is k = Sequentially calculated from the first user. In addition, the encoding order of the DPC in Equation 12 is opposite to the SIC order of the dual uplink.

추가적으로 본 발명에서는, 상기 <수학식 12>를 통해서 계산된 최적화된 전력 제어 변수 q _k 를 하기 <수학식 13>과 같이 간단하게 정리한다. In addition, in the present invention, the optimized power control variable q _k calculated through Equation 12 is simply summarized as in Equation 13 below.

여기서, v _k (m)은 벡터 v _k 의 m번째 원소를 나타낸다.Here, v _k ( m ) represents the m th element of the vector v _k .

상기 <수학식 13>은 G = VQ ^1/2 로 분해된 최적의 하향링크 선처리 행렬 G에 대하여, 단말 별 송신 데이터 율의 합이 최대가 되는 지점을 나타내는 상기 <수학식 2>의 부등호가 등호인 수학식을 대입한 경우이다. 보다 구체적으로, 하향링크에서 DPC를 사용하는 경우, 단말 별 데이터 율의 합의 최대값은 하기 <수학식 14>이와 같이 계산된다.Equation (13) is an inequality equal sign of Equation (2), which indicates a point where the sum of transmission data rates for each terminal is maximum with respect to the optimal downlink preprocessing matrix G decomposed by G = VQ ^1/2 . This is the case of substituting the equation More specifically, when using the DPC in the downlink, the maximum value of the sum of the data rate for each terminal is calculated as shown in Equation 14 below.

이때, 임의의 변수 집합 {q ₁, v ₁}에서부터 {q _K- ₁, v _K- ₁}에 대해서, 마지막 인덱스 K 에 대한 {q _K , v _K }는 상기 <수학식 10>과 같이 나타내어지는

의 분자항에만 존재하고, 또한 k =K인

에만 존재하기 때문에, 상기 {q _K , v _K }의 전력 성분은 하기 <수학식 15>와 같이 유일하게 결정된다.In this case, for any variable set { q ₁ , v ₁ } to { q _K- ₁ , v _K- _{1 1} , the last index K { Q _K , v _K } with respect to Equation 10

Present only in the molecular term of = K

Since the power component of { q _K , v _K } is uniquely determined as shown in Equation 15 below.

또한, 복소 벡터인 v _K 의 위상(phase)은 h _K 에 대한 정합 필터 형태로서, 하기 <수학식 16>과 같이 항상 해당 단말의 데이터 율을 최대화하는 위상 성분으로 결정 한다.In addition, the phase of the complex vector v _K is a matched filter form for h _K , and is determined as a phase component that maximizes the data rate of the corresponding terminal as shown in Equation 16 below.

이하, 본 발명의 제2실시 예에서는 단말과 기지국 각각의 수인 M과 K가 모두 '2'인 2

2 채널에 대한 닫힌 형태의 최적 빔포머를 제안한다. 본 발명의 제2실시 예에서는 2

2 채널 환경을 가정하여 설명하지만, 본 발명이 상기 단말과 기지국의 수가 '2'가 아닌 경우에도 적용 가능함은 물론이다.Hereinafter, in the second embodiment of the present invention, M and K, which are the numbers of terminals and base stations, are both '2'.

We propose a closed beam optimal beamformer for two channels. In the second embodiment of the present invention, 2

Although assuming a two-channel environment, the present invention is also applicable to the case that the number of the terminal and the base station is not '2'.

본 발명의 제2실시 예에서는 최적 빔포머의 빔포밍 벡터를 하기에서 언급되는 닫힌 형태의 수식 표현들로 유도한다. 구체적으로, 하기 <수학식 17>은 PAPC 하에서 이론적인 송신 용량을 획득하는 2

2 최적의 하향링크 선처리 행렬을 나타낸다.In the second embodiment of the present invention, the beamforming vector of the optimal beamformer is derived to the closed form mathematical expressions mentioned below. Specifically, Equation 17 below obtains the theoretical transmission capacity under PAPC.

2 shows the optimal downlink preprocessing matrix.

여기서,

와 q _k 는 각각 앞서 언급한 제1실시 예에서의 상기 <수학식 8>과, <수학식 13>을 통해서 계산되고, 이때 사용되는 최적화된 변수들은 하기 <수학식 18>과 같이 나타내어 진다. 여기서,

과,

는 두 개의 송신 안테나 각각에 대한 최대 송출 가능한 전력을 나타내고, A는 상기 두 개의 송신 안테나 각각에 대한 최대 송출 가능한 전력의 합 즉,

를 나타낸다.here,

And q _k are respectively calculated by Equation 8 and Equation 13 in the above-described first embodiment, and the optimized variables used are represented by Equation 18 below. here,

and,

Is the maximum transmittable power for each of the two transmit antennas, and A is the sum of the maximum transmittable power for each of the two transmit antennas, i.e.

Indicates.

상기 <수학식 18>과 같이 나타내어 지는

과

에 따라 나머지 변수들 즉,

와

는 각각 항상 "

" 및 "

"으로 결정되고, 상기한 바와 같이 결정된 변수들에 따라서 하기 <수학식 19> 내지 <수학식 22>과 같이 파라미터들을 정의한다.Represented by Equation 18

and

Depending on the rest of the variables

Wow

Is always "

"And"

&Quot;, and the parameters are defined as shown in Equations 19 to 22 according to the variables determined as described above.

여기서,

과,

은 상기 두 개의 송신 안테나들을 나타내는 지시자를 나타낸다.here,

and,

Denotes an indicator indicating the two transmit antennas.

이때,

임을 가정한다.At this time,

Assume that

상기 <수학식 18>의

은 하기 <수학식 23>과 같이 나타내어지는 용량 합을 계산함으로써, 획득된다.Of Equation 18

Is obtained by calculating the sum of doses represented by Equation 23 below.

여기서, 0 ≤

≤ A 및 0 ≤

≤ A 인 경우에 대하여

는, 하기 <수학식 24>와 같이 계산된다.Where 0 ≤

≤ A and 0 ≤

For ≤ A

Is calculated as shown in Equation (24).

이때, 상기 P와,

는 각각 하기 <수학식 25>와 같이 정의된다.At this time, P and

Are each defined as in Equation 25 below.

그리고, 상기 고정된 에 대해 하기 <수학식 26>을 계산하여, 하기 <수학식 27>과 같이 나타내어지는

을 계산한다.And fixed The following Equation 26 is calculated, and the following Equation 27

.

이후, 상기 <수학식 27>과 같이 나타내어지는

을 상기 <수학식 23>에 대입하여 하나의 변수에 대한 식 R(

)을 계산하고, 상기 하나의 변수에 대한 식 R(

)에 대해 하기 <수학식 28>과 같이 미분에 의한 극값을 계산한다.Thereafter, as shown in Equation 27,

By substituting Equation 23 into Equation 23,

) And the formula R (

), The extremal value by differential is calculated as shown in Equation 28.

최종적으로, 상기 <수학식 28>과 같이 계산된 극값에 대해

= 0 및

= A 일 때에 해당하는 경계값 조건을 비교함으로써, 최종적으로 상기 <수학식 18>과 같이 나타내어지는 최적화된 변수

과

가 결정된다.Finally, for the extreme value calculated as in Equation 28,

= 0 and

By comparing the corresponding boundary value conditions when = A , finally, the optimized variable represented by Equation 18 above.

and

Is determined.

도 2a,b는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 방식 및 PC 방식을 평가하기 위한 통신 시스템의 구성도이다. 여기서, 통신 시스템은 섹터화된 셀룰라 시스템을 일 예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기 섹터화된 셀룰라 시스템 뿐만 아니라 다른 통신 시스템들에도 적용 가능함은 물론이다.2A and 2B are diagrams illustrating a communication system for evaluating a beamforming method and a PC method according to an exemplary embodiment of the present invention. Here, although the communication system has been described as a sectorized cellular system as an example, the present invention can be applied to not only the sectorized cellular system but also other communication systems.

도 2a를 참조하면, 상기 셀룰라 시스템을 구성하는 하나의 셀은 총 6개의 섹터로 분할된다. 서로 다른 셀1과 셀2 각각의 섹터1과 섹터 2에는 각각 단말1과 단말2가 위치한다. 상기 셀1과 상기 셀2 각각에는 기지국1과 기지국2가 위치하므로, 상기 기지국1,2의 수에 대응하는 2개의 송신 안테나와, 상기 단말1,2의 수에 대응하는 2개의 수신 안테나간 협력적 송신을 나타낸다.Referring to FIG. 2A, one cell constituting the cellular system is divided into a total of six sectors. Terminal 1 and terminal 2 are located in sectors 1 and 2 of the different cells 1 and 2, respectively. Since the base station 1 and the base station 2 are located in each of the cell 1 and the cell 2, cooperation between two transmit antennas corresponding to the number of base stations 1 and 2 and two receive antennas corresponding to the number of terminals 1 and 2 Indicates an enemy transmission.

일 예로, 도 2a의 셀룰라 시스템은 2-타이어(tier) 구조에 해당하는 총 19개의 송신 안테나들을 고려하였으며, 각각의 송신안테나는 등 간격으로 배치되어 인접한 두 개의 송신안테나 간 거리가 모두 500[m]라고 가정하자. 채널 계수

은 경로 손실 지수 3.76 및 플랫 레일리(flat Rayleigh) 분포에 따라 매 실험 당 랜덤하게 발생되며, 해당 송신안테나 당 최대 송출 가능 전력은

= 30 [dBm]으로서 모든 송신 안테나가 동일하다고 가정하자. 상기 단말1,2(215, 235) 각각에서의 열 잡음 전력은 10[MHz]의 송신대역폭에 해당하는 -104[dBm]를 적용한다. 성능 평가 지표는 섹터 당 송신 안테나의 송신 대역폭 효율로서 [bps/Hz/sector]의 단위를 갖는다.For example, the cellular system of FIG. 2A considers a total of 19 transmit antennas corresponding to a two-tier structure, and each transmit antenna is arranged at equal intervals so that the distance between two adjacent transmit antennas is 500 [m]. Suppose]. Channel coefficient

Is randomly generated per experiment according to the path loss index of 3.76 and flat Rayleigh distribution, and the maximum transmit power per transmit antenna is

Assume that all transmit antennas are equal as = 30 [dBm]. The thermal noise power at each of the terminals 1, 2 (215, 235) is -104 [dBm] corresponding to a transmission bandwidth of 10 [MHz]. The performance evaluation index is a transmission bandwidth efficiency of a transmission antenna per sector and has a unit of [bps / Hz / sector].

도 2b를 참조하면, 상기 셀룰라 시스템을 구성하는 하나의 셀은 총 3개의 섹 터로 분할된다. 서로 다른 셀1과, 셀2 및 셀3 각각의 섹터들 중 하나의 섹터1과 섹터2 및 섹터3에는 각각 단말1과 단말2 및 단말3이 위치한다. 상기 셀1 내지 상기 셀3 각각에 기지국1과 기지국2 및 기지국3이 위치하므로, 상기 기지국1 내지 3의 수에 대응하는 3개의 송신 안테나와, 상기 단말1 내지 3에 대응하는 3개의 수신 안테나간 협력적 송신을 나타낸다.Referring to FIG. 2B, one cell constituting the cellular system is divided into a total of three sectors. Terminal 1, terminal 2, and terminal 3 are located in different cell 1, sector 1, sector 2, and sector 3 of each of sectors of cell 2 and cell 3, respectively. Since the base station 1, the base station 2 and the base station 3 are located in each of the cells 1 to 3, between the three transmit antennas corresponding to the number of the base stations 1 to 3 and the three receive antennas corresponding to the terminals 1 to 3 Indicates cooperative transmission.

도 3은 도 2a에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템을 기반으로 송신안테나의 거리에 따른 데이터 전송율을 송신 방식 별로 평가한 결과 그래프이다.FIG. 3 is a graph illustrating a result of evaluating a data transmission rate according to a transmission method based on a distance of a transmission antenna based on the 6-sector cellular system shown in FIG. 2A.

도 3을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 빔포밍 방식(이하, 'Proposed BF'로 나타내기로 한다)과 TPC 하에서의 알려진 최적 (이하, 'TPC optimal'로 나타내기로 한다) 빔포밍 방식의 성능을 나타낸다. 구체적으로, 상기 Proposed BF와 TPC optimal 각각에 대해서 노말라이즈된 각 송신안테나의 거리 '0'으로부터 노말라이즈 된 두 개의 송신 안테나의 중심 위치 ' 1'까지 일차원으로 이동시키면서 거리에 따른 데이터 율을 나타낸다.Referring to Figure 3, it shows the performance of the beamforming method proposed in the present invention (hereinafter referred to as 'Proposed BF') and known optimal (hereinafter referred to as 'TPC optimal') beamforming method under TPC . Specifically, the data rate according to the distance is shown while moving in one dimension from the distance '0' of each of the normalized transmission antennas to the center position '1' of the two normalized transmission antennas for each of the Proposed BF and TPC optimal.

상기 Proposed BF의 데이터 율은 실제로 PAPC 하에서의 이론적인 송신 용량에 도달하는 최대의 성능을 나타내고 있다. 이에 반해 상기 TPC optimal의 데이터 율은 상기 노멀라이즈된 송신 안테나 거리가 1에 가까울수록 상기 Proposed BF의 데이터 율보다 낮은 데이터 율을 나타냄을 알 수 있다. 이때, TPC optimal을 본 실험에 적용하기 위해서 모든 송신 안테나들의 실제 송출 전력 중 가장 큰 전력값이 PAPC 조건을 최대로 만족하도록 선처리 행렬의 모든 원소들을 동일한 비율로 스 케일한다. 상기 두 안테나의 커버리지 경계 지역(정규화 거리 1)에서 상기 Proposed BF의 성능이 상기 TPC optimal 대비 0.2 bps/Hz의 성능 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있다.The data rate of the Proposed BF represents the maximum performance that actually reaches the theoretical transmission capacity under PAPC. On the contrary, it can be seen that the data rate of the TPC optimal is lower than the data rate of the Proposed BF as the normalized transmission antenna distance approaches 1. At this time, in order to apply TPC optimal to this experiment, all elements of the preprocessing matrix are scaled at the same ratio so that the largest power value among the actual transmit powers of all transmitting antennas satisfies the PAPC condition. In the coverage boundary region (normalization distance 1) of the two antennas, it can be seen that the performance of the proposed BF shows a performance difference of 0.2 bps / Hz compared to the TPC optimal.

도 4는 도2a,b에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템과 3-섹터 셀룰라 시스템에서의 셀 평균 전송 데이터율 분포의 성능을 비교한 결과 그래프이다.FIG. 4 is a graph comparing the performance of cell average transmission data rate distribution in the 6-sector cellular system and the 3-sector cellular system shown in FIGS. 2A and 2B.

도 4를 참조하면, 도 2a에 도시된 M= K= 2인 6-섹터 셀룰라 시스템과, 도 2b에 도시된 M= K= 3인 3-섹터 셀룰라 시스템에서, 상기 Proposed BF와 TPC optimal 별로 각각의 섹터 커버리지 영역 내에 단말을 균등하게 분포시킴에 따라 해당 섹터의 평균 송신 데이터율의 성능을 누적 분포함수 형태로 도시하였다. 결과적으로 상기 3-섹터 셀룰라 시스템의 데이터 율이 상기 6-섹터 셀룰라 시스템의 데이터 율보다 전체적으로 높게 나타난다. 그 이유는 지리적인 특성상 3-섹터 셀룰라 시스템의 경우, 하나의 주요한 외부 간섭 신호를 협력적 송신에 추가 고려함으로써 데이터 율을 더욱 높일 수 있는 장점이 있기 때문이다. 상기 6-섹터 셀룰라 시스템에서 제안하는 빔포머의 TPC optimal 대비 성능 이득은 상기 누적 분포 함수 값이 중간값인 지점에서 4%, 상기 누적 분포 함수 값이 0.1인 지점에서 20%으로 나타난다. 그리고, 상기 3-섹터 셀룰라 시스템에서는 Proposed BF 의 성능 이득이 상기 TPC optimal 대비 누적 분포 함수 값의 중간값에서 3%, 상기 누적 분포 함수 값이 0.1인 지점에서 11% 만큼 이득이 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, in the 6-sector cellular system of M = K = 2 shown in FIG. 2A and the three-sector cellular system of M = K = 3 shown in FIG. 2B, each of the Proposed BF and TPC optimally The performance of the average transmission data rate of the sector is shown in the form of a cumulative distribution function as the terminals are evenly distributed in the sector coverage area of the sector. As a result, the data rate of the three-sector cellular system appears to be higher than the data rate of the six-sector cellular system. The reason for this is that, in terms of geographical characteristics, the three-sector cellular system has an advantage of further increasing the data rate by considering one major external interference signal in the cooperative transmission. The TPC optimal performance gain of the beamformer proposed in the 6-sector cellular system is 4% at the point where the cumulative distribution function value is the median value and 20% at the point where the cumulative distribution function value is 0.1. In addition, in the three-sector cellular system, it can be seen that the performance gain of Proposed BF is as much as 11% at the point where the cumulative distribution function value is 0.1% and the cumulative distribution function value is 0.1. .

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 통신 시스템의 구성도의 일 예.1 is an example of configuration diagram of a distributed MIMO communication system according to an embodiment of the present invention.

도 2a,b는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 방식 및 PC 방식을 평가하기 위한 통신 시스템의 구성도.2A and 2B are diagrams illustrating a communication system for evaluating a beamforming scheme and a PC scheme according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2a에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템을 기반으로 송신안테나의 거리에 따른 데이터 전송율을 송신 방식 별로 평가한 결과 그래프.3 is a graph illustrating a result of evaluating a data transmission rate according to a transmission scheme based on a distance of a transmission antenna based on the 6-sector cellular system shown in FIG. 2A.

도 4는 도2a,b에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템과 3-섹터 셀룰라 시스템에서의 셀 평균 전송 데이터율 분포의 성능을 비교한 결과 그래프.4 is a graph comparing the performance of the cell average transmission data rate distribution in the six-sector cellular system and the three-sector cellular system shown in FIGS. 2A and 2B.

Claims

In the method for transmitting and receiving data in a multiple input and output communication system comprising a plurality of terminals and a plurality of base stations,

Receiving, by each of the terminals, a downlink signal from the base stations having power constraints for each antenna;

Adjusting, by each of the terminals, a gain of the downlink signal using a transmission preprocessing matrix;

Each of the base stations receiving an uplink signal from the terminals;

The transmission preprocessing matrix is decomposed into a first matrix including beamforming complex column vectors and a second matrix including diagonal elements of power control variables for a signal transmitted to each terminal, and the power control variable is not negative. ,

The uplink signal is represented using a matrix that takes a hermitian of a downlink channel matrix representing the downlink signals, and the downlink channel matrix is an automatic signal that generates a dispersion of interference and noise signals to a predetermined value. A method of transmitting and receiving data in a multiple input / output communication system, characterized in that the matrix is reconstructed through gain control.

The method of claim 1,

Each of the base stations further comprises transmitting a downlink signal to a corresponding terminal by using a beamforming vector of a beamformer that maximizes a signal-to-noise ratio for each terminal;

The night forming vector is calculated using a noise signal covariance matrix, a vector of each of the uplink signals received from the terminals, and an element of a matrix taking a hum of the downlink channel matrix. Method of transmitting and receiving data in a communication system.

The method of claim 2,

The beamforming vector of the beamformer that maximizes the signal-to-noise ratio for each terminal,

A data transmission / reception method in a multiple input / output communication system, characterized by the following Equation.

&Lt; Equation &

here,

Denotes a beamforming vector of the beamformer that maximizes the signal-to-noise ratio of the k-th terminal,

Denotes the noise signal covariance matrix, k denotes an indicator of a terminal, H denotes a hermit operation, and h denotes a channel gain of the downlink channel.

The method of claim 2,

The power control variable included in the second matrix is

A power control variable in an uplink, a channel gain of the downlink channel, a beamforming vector of a beamformer that maximizes a signal-to-noise ratio for each terminal, and the second matrix corresponding to current terminals before terminals Method of transmitting and receiving data in a multiple input and output communication system, characterized in that calculated using the power control variables.

The method of claim 2,

The power control variable included in the second matrix is

Method of transmitting and receiving data in a multiple input and output communication system, characterized in that calculated by the following equation.

&Lt; Equation &

Here, q _k represents the power control variable of the k-th terminal included in the first matrix, p _k represents the power control variable in the uplink, h represents the channel gain of the downlink channel,

Is a signal-represents the beamforming vector of the beam former to maximize noise ratio (SINR), wherein v _k is a beam former unit he (norm) to maximize the signal-to-noise ratio (SINR) for each said terminal of the k-th terminal Represents a normalized vector.

The method of claim 2,

The power control variable included in the second matrix is

When the sum of the power for each antenna is the maximum value, the data transmission and reception method in a multiple input and output communication system, characterized in that calculated by the following equation.

&Lt; Equation &

Where q _k denotes a power control variable of the k-th terminal included in the first matrix, m denotes an indicator of the base station, and p _M denotes a power control variable in the uplink in the M-th base station, and v _k Represents a vector obtained by normalizing a beamformer that maximizes a signal-to-noise ratio (SINR) for each terminal to a unit norm.

The method of claim 6,

If the sum of the power for each antenna is a maximum value,

And a case in which the sum of powers for each antenna is equal to a threshold value of the sum of powers of antennas set in the power constraints for each antenna.

The method of claim 1,

And at least one antenna provided in each of the base stations.

In a multiple input / output communication system,

A plurality of terminals for receiving a downlink signal from the base stations having power constraints for each antenna, and adjusting a gain of the downlink signal using a transmission preprocessing matrix;

A plurality of base stations for receiving an uplink signal from the terminals;

The uplink signal is represented using a matrix that takes a hermitian of a downlink channel matrix representing the downlink signals, and the downlink channel matrix is an automatic signal that generates a dispersion of interference and noise signals to a predetermined value. Multiple input and output communication system characterized in that the matrix is reconstructed through the gain control.

10. The method of claim 9,

Each of the base stations,

Transmitting a downlink signal to a corresponding terminal by using a beamforming vector of a beamformer that maximizes a signal-to-noise ratio for each terminal;

The night forming vector is calculated using a noise signal covariance matrix, a vector of each of the uplink signals received from the terminals, and an element of a matrix taking a hum of the downlink channel matrix. Communication system.

The method of claim 10,

Multiple input / output communication system, characterized in that expressed as follows.

&Lt; Equation &

here,

The method of claim 10,

The power control variable included in the second matrix is

A power control variable in an uplink, a channel gain of the downlink channel, a beamforming vector of a beamformer that maximizes a signal-to-noise ratio for each terminal, and the second matrix corresponding to current terminals before terminals Multiple input / output communication system, characterized in that calculated using the power control variables.

The method of claim 10,

The power control variable included in the second matrix is

Multiple input / output communication system, characterized in that calculated by the following equation.

Equation>

The method of claim 10,

The power control variable included in the second matrix is

When the sum of the power for each antenna is the maximum value, it is calculated by the following equation.

Equation>

The method of claim 14,

If the sum of the power for each antenna is a maximum value,

And a case in which the sum of powers for each antenna is equal to a threshold of the sum of powers for each antenna set in the power constraint for each antenna.

10. The method of claim 9,

And at least one antenna provided by each of the base stations.