KR20230088591A - Resolution optimization method of cell-free massive mimo and system using same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정 단계; [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계; 및 상기 업링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출 단계;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.The present invention includes an uplink channel setting step in which an i-th uplink defines a channel with respect to an m-th access point (AP) by [Relational Expression 1]; an uplink spectral efficiency setting step of defining spectral efficiency (SE) of the i-th uplink as a closed-type solution obtained by substituting [Equation 1] into [Equation 2]; and an uplink resolution derivation step of extracting a resolution having maximum energy efficiency using the uplink spectral efficiency defined in the uplink spectral efficiency setting step and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]. It is characterized by including;
Description
본 발명은 무선통신에 관한 것으로, 특히 전송 성능을 최적화하기 위한 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to wireless communication, and more particularly, to a method for optimizing a resolution of a cell-free massive multiple input (MIMO) transmission device for optimizing transmission performance and a system using the same.
5G 시스템의 요구 조건을 만족시키기 위하여 massive MIMO, HetNet, full duplex 기술이 핵심 요소로 평가받고 있다. 그 중에서도 massive MIMO 기술은 단순히 massive MIMO를 기존의 기지국에 설치함으로써 시스템의 전송량(throughput)을 증가시킬 수 있어 5G 통신의 가장 중요한 기술로 고려되고 있다.To satisfy the requirements of the 5G system, massive MIMO, HetNet, and full duplex technologies are being evaluated as key elements. Among them, massive MIMO technology is considered the most important technology for 5G communication as it can increase the throughput of the system by simply installing massive MIMO in an existing base station.
상기 MIMO 시스템을 이용하여 데이터를 송수신할 때 전송 채널의 상태를 송신단과 수신단에서 알 경우, 목적에 맞는 송수신 필터를 설계하여 성능을 향상할 수 있다. 이 경우에는 모든 통신 노드들이 MIMO 채널에 대한 정보를 알아야 하고, 이를 통해 인접 노드들로부터의 간섭 및 다중 채널에 의한 영향을 없애는 신호처리를 할 수 있다. MIMO 통신 시스템에서 수신단의 채널 인지 여부는 파일럿 신호 등을 통해 쉽게 추정할 수 있지만, 송신단에서의 채널 인지는 채널 정보를 다시 피드백 해야하므로 쉽게 추정이 힘들 뿐 아니라, 신호 교환에 따른 복잡도를 유발할 수 있다.When transmitting and receiving data using the MIMO system, if the transmitting end and the receiving end know the state of the transmission channel, performance can be improved by designing a transmit/receive filter suitable for the purpose. In this case, all communication nodes must know information about the MIMO channel, and through this, signal processing can be performed to eliminate interference from neighboring nodes and the effect of multiple channels. In a MIMO communication system, it is easy to estimate whether or not the receiving end is a channel through a pilot signal, but channel recognition at the transmitting end is not only difficult to estimate because the channel information must be fed back, but also can cause complexity due to signal exchange. .
전이중(full-duplex) 방식은 기존의 반이중(half-duplex) 방식과 달리 동일 대역에 동일시간 자원에서 송신 신호와 수신신호를 동시에 주고 받는다. 이로 인해 필연적으로 자기 간섭(self-interference)신호가 발생하고 이를 제거하기 위한 자기간섭 제거 기능이 송수신단에 구현되어야 한다. Unlike the conventional half-duplex method, the full-duplex method simultaneously transmits and receives a transmission signal and a reception signal in the same time resource in the same band. As a result, a self-interference signal is inevitably generated, and a self-interference cancellation function to remove it must be implemented in the transmitting/receiving terminal.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 방식을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 셀-프리 MIMO 시스템은 다수의 액세스 포인트(AP)가 넓은 지역에 분산되어 소수의 사용자 장비(User Equipment, UE)에 공동으로 서비스한다. 셀-프리 MIMO 시스템은 최근 주목받고 있고 셀-프리 MIMO 시스템은 반이중 방식을 사용하는 것보다 전이중 방식을 사용하는 것이 spectral/energy efficiency(SE/EE)에 유리하다.1 illustrates a cell-free massive multiple input/output (MIMO) method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , in a cell-free MIMO system, a plurality of access points (APs) are distributed over a wide area to jointly service a small number of user equipments (UEs). A cell-free MIMO system has recently attracted attention, and it is advantageous for spectral/energy efficiency (SE/EE) to use a full-duplex method rather than a half-duplex method in a cell-free MIMO system.
다만, 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 SE/EE의 향상을 위해서는 고해상도의 ADC(analog-to-digital converter)를 사용하여야 하므로 하드웨어 비용과 전력 소비가 증가하는 문제점이 있다. 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 샘플링 주파수(Fs)에 비례하여 소비 전력이 증가한다. 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 해상도에 따라 소비 전력이 기하급수적으로 증가한다. 또한, ADC는 해상도에 따라 제조 비용이 증가한다. 엄청난 수의 엑세스 포인트(AP)가 셀-프리 MIMO 시스템에서 사용된다는 점을 고려하면 고해상도 ADC로 시스템을 설계하는 것은 현실적이지 않다. 따라서, 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 저해상도 ADC로 구현될 필요가 있다. However, the full-duplex cell-free MIMO system has problems in that hardware cost and power consumption increase because a high-resolution analog-to-digital converter (ADC) must be used to improve SE/EE. In the full-duplex cell-free MIMO system, power consumption increases in proportion to the sampling frequency (Fs). In a full-duplex cell-free MIMO system, power consumption increases exponentially according to resolution. In addition, the manufacturing cost of an ADC increases with resolution. Designing systems with high-resolution ADCs is not realistic given the huge number of access points (APs) used in cell-free MIMO systems. Therefore, a full-duplex cell-free MIMO system needs to be implemented with a low-resolution ADC.
전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 저해상도 ADC를 사용할 경우 자기간섭(self-interference, SI)로 인해 기지국의 양자화 잡음(quantization noise, QN)이 악화될 수 있다. 따라서, 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템에서 spectral/energy efficiency(SE/EE)을 극대화할 수 있는 저해상도 ADC의 해상도를 도출하는 방법이 요구되고 있는 실정이다.In a full-duplex cell-free MIMO system, quantization noise (QN) of a base station may deteriorate due to self-interference (SI) when a low-resolution ADC is used. Accordingly, there is a demand for a method for deriving a resolution of a low-resolution ADC capable of maximizing spectral/energy efficiency (SE/EE) in a full-duplex cell-free MIMO system.
본 발명은 저해상도 ADC를 사용하는 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a method for optimizing the resolution of a cell-free massive multiple input (MIMO) transmission device using a low resolution ADC and a system using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정 단계; [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계; 및 상기 업링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출 단계;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an uplink channel setting step in which an i-th uplink defines a channel for an m-th access point (AP) by [Relational Expression 1]; an uplink spectral efficiency setting step of defining spectral efficiency (SE) of the i-th uplink as a closed-type solution obtained by substituting [Equation 1] into [Equation 2]; and an uplink resolution derivation step of extracting a resolution having maximum energy efficiency using the uplink spectral efficiency defined in the uplink spectral efficiency setting step and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]. It is characterized by including;
바람직하게는, k번째의 다운링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 2]로 채널이 정의하는 다운링크 채널 설정 단계;를 더 포함할 수 있다. Preferably, a downlink channel setting step in which the k-th downlink channel is defined by [Relationship 2] with respect to the m-th access point (AP); may be further included.
바람직하게는, [수학식 4]을 [수학식 5]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 k번째의 다운링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)이 정의되는 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계;를 더 포함할 수 있다. Preferably, a downlink spectral efficiency setting step in which the spectral efficiency (SE) of the k-th downlink is defined as a closed solution obtained by substituting [Equation 4] into [Equation 5]; can include
바람직하게는, 상기 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 다운링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 다운링크 해상도 도출 단계;를 더 포함할 수 있다. Preferably, a downlink that extracts a resolution having maximum energy efficiency using the downlink spectrum efficiency defined in the downlink spectral efficiency setting step and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3] Resolution derivation step; may further include.
또한 본 발명은, i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정부; [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정부; 및 상기 업링크 스펙트럼효율 설정부가 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출부;를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention includes an uplink channel setting unit for defining a channel for an i-th uplink with respect to an m-th access point (AP) by [Relationship Equation 1]; an uplink spectral efficiency setting unit defining spectral efficiency (SE) of the i-th uplink as a closed solution obtained by substituting [Equation 1] into [Equation 2]; and an uplink resolution derivation unit for extracting a resolution having maximum energy efficiency using the uplink spectral efficiency defined by the uplink spectral efficiency setting unit and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]; It is another feature that includes.
본 발명에 따르면, 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 시스템을 직접적으로 구현하여 시뮬레이션하지 않아도, spectral/energy efficiency(SE/EE)의 폐쇄형 해를 통해 저해상도 ADC의 최적의 해상도를 추출할 수 있다는 이점이 있다. According to the present invention, it is possible to extract the optimal resolution of a low-resolution ADC through a closed solution of spectral / energy efficiency (SE / EE) without directly implementing and simulating a cell-free massive multiple-input (MIMO) system. There is an advantage.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 방식을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 업링크에서 송신한 신호를 엑세스 포인트(AP)에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)에서 송신한 신호를 다운링크에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)의 수에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 해상도(b)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잔여 자기간섭(SI)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 7은 업링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 7의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 7의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 8은 다운링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 8의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 8의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 1 illustrates a cell-free massive multiple input/output (MIMO) method according to an embodiment of the present invention.
2 shows a flowchart for deriving an optimal resolution of an ADC used to receive a signal transmitted in an uplink in an access point (AP) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a flowchart for deriving an optimal resolution of an ADC used to receive a signal transmitted from an access point (AP) in a downlink according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph illustrating a change in sum spectral efficiency (SE) with respect to the number of access points (APs) according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a change in sum spectral efficiency (SE) with respect to resolution (b) of an ADC according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating a change in sum spectral efficiency (SE) with respect to residual self-interference (SI) according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph of energy efficiency (EE) of an uplink, and FIG. 7 (a) shows a graph showing a change in energy efficiency (EE) with respect to resolution (b) of an ADC. 7(b) shows a graph showing the change in energy efficiency (EE) for sum spectral efficiency (SE).
8 is a graph of downlink energy efficiency (EE), and FIG. 8 (a) shows a graph showing a change in energy efficiency (EE) with respect to ADC resolution (b). 8(b) shows a graph showing the change in energy efficiency (EE) for sum spectral efficiency (SE).
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the contents described in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by exemplary embodiments. The same reference numerals in each figure indicate members performing substantially the same function.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention can be naturally understood or more clearly understood by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명에서 고려되는 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치는 M개의 전이중 엑세스 포인트(Access point, AP)가 오류 없는 백홀 링크를 통해 CPU(중앙 처리 장치)에 연결될 수 있다. 또한, 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치는 동일한 시간-주파수 리소스에서 동일 위상을 제공하는 단일 안테나로 구성된 개의 업링크와 의 다운링크를 포함할 수 있다. 각각의 엑세스 포인트(AP)는 수신안테나와 송신안테나를 포함할 수 있다. 엑세스 포인트(AP)는 수신된 업링크 신호와 다운링크에 대한 프리코딩 데이터를 감지하기 위해 업링크 파일럿 시그널링을 통해 CSI(channel state information)를 획득할 수 있다. 엑세스 포인트(AP)는 채널 상호성을 활용하여 다운링크에 데이터를 프리코드할 수 있다. 엑세스 포인트(AP)는 coherence 구간() 중 구간에는 CSI를 획득하고, 남은 구간에는 데이터를 전송할 수 있다. In the cell-free massive multiple input (MIMO) transmission device considered in the present invention, M full-duplex access points (APs) may be connected to a central processing unit (CPU) through an error-free backhaul link. In addition, a cell-free massive multiple input multiple output (MIMO) transmission device is composed of a single antenna providing the same phase in the same time-frequency resource. dog uplink Can include downlinks from. Each access point (AP) receiving antenna It may include a transmitting antenna. An access point (AP) may obtain channel state information (CSI) through uplink pilot signaling in order to detect a received uplink signal and downlink precoded data. An access point (AP) can utilize channel reciprocity to precode data on the downlink. The access point (AP) is a coherence section ( ) middle Acquire CSI in the section, and Data can be transmitted in the interval.
각각의 엑세스 포인트(AP)는 전이중 방식으로 인해 수신되는 업링크 신호가 다른 엑세스 포인트(AP)가 송신하는 다운링크 신호에 의해 손상되는 자기간섭(self-interference, SI)과 엑세스 포인트간 간섭(inter-AP interference, IAI)의 영향을 받을 수 있다. 다운링크는 업링크의 신호 전송으로 인해 업링크-다운링크 간섭(UL-to-DL interference, UDI)의 영향을 받을 수 있다. 엑세스 포인트(AP)와 다운링크는 양자화를 위해 저해상도 ADC를 사용하는 과정에서 양자화 잡음(quantization noise, QN)의 영향을 받을 수 있다. 본 발명에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법은 높은 효율을 갖는 저해상도 ADC의 해상도를 도출하기 위해 상기 간섭 및 잡음을 해상도(b)에 대한 변수로 모델링하는 단계를 포함할 수 있다. Each access point (AP) is self-interference (SI) in which the received uplink signal is damaged by the downlink signal transmitted by another access point (AP) due to the full-duplex method, and interference between access points (inter-access point) -AP interference, IAI) may be affected. Downlink may be affected by uplink-downlink interference (UL-to-DL interference, UDI) due to uplink signal transmission. Access points (APs) and downlinks can be affected by quantization noise (QN) in the process of using low-resolution ADCs for quantization. A method for optimizing the resolution of a cell-free massive multiple input (MIMO) transmission device according to the present invention includes modeling the interference and noise as variables for the resolution (b) in order to derive the resolution of a low resolution ADC having high efficiency. can do.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 업링크에서 송신한 신호를 엑세스 포인트(AP)에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법은 업링크 채널 설정 단계(S210), 업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220), 및 업링크 해상도 도출 단계(S230)를 포함할 수 있다. 2 shows a flowchart for deriving an optimal resolution of an ADC used to receive a signal transmitted in an uplink in an access point (AP) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the resolution optimization method of the cell-free massive multiple input/output transmission device may include an uplink channel setting step (S210), an uplink spectral efficiency setting step (S220), and an uplink resolution derivation step (S230). can
업링크 채널 설정 단계(S210)는 i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의할 수 있다. In the uplink channel setting step (S210), the i-th uplink may define a channel for the m-th access point (AP) according to [Relationship Equation 1].
[관계식 1][Relationship 1]
(여기서, β는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고, 는 small-scale 페이딩 벡터이다.) (Where β is the large-scale Rayleigh fading coefficient, is a small-scale fading vector.)
업링크 채널 설정 단계(S210)는 을 만족하고 각 원소들은 로써 모델링되는 를 정의할 수 있다. 업링크 채널 설정 단계(S210)는 small-scale 페이딩이 coherence 구간() 동안 변경 없이 유지되며, 각 coherence 구간()은 독립적으로 변경되는 것으로 채널을 정의할 수 있다. The uplink channel setting step (S210) is and each element is modeled as can define In the uplink channel setting step (S210), small-scale fading is a coherence section ( ) and remains unchanged during each coherence interval ( ) can define a channel as being changed independently.
업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)는 [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의할 수 있다. 업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 사용되는 [수학식 1]과 [수학식 2]는 CPU가 long-term 채널 통계를 사용하여 신호를 감지하는 것으로 가정된 것이다. In the uplink spectral efficiency setting step (S220), the spectral efficiency (SE) of the i-th uplink may be defined as a closed solution obtained by substituting [Equation 1] into [Equation 2]. [Equation 1] and [Equation 2] used in the uplink spectral efficiency setting step (S220) assume that the CPU detects a signal using long-term channel statistics.
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, 는 coherence 구간, 는 남은 구간, 는 업링크 전송 전력, M은 엑세스 포인트의 수, (는 ADC 해상도), 는 빔포밍 불확실성 이득, 는 다중 사용자 간섭, 는 SI/IAI(self-interference/inter-AP interference), 는 노이즈, 는 양자화잡음(quantization noise, QN)을 의미한다.) (here, is the coherence interval, is the remaining interval, is the uplink transmit power, M is the number of access points, ( is the ADC resolution), is the beamforming uncertainty gain, is multi-user interference, Is SI/IAI (self-interference/inter-AP interference), is the noise, means quantization noise (QN).)
[수학식 2][Equation 2]
(여기서, 는 수신 안테나 수, 는 업링크가 전송한 파일럿의 전력, 는 파일럿 길이, 는 large-scale의 레일리 페이딩 계수, 는 채널추정 관련 상수, 는 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염(PC)의 효과를 반영한 변수, 는 잔여 SI와 IAI의 영향을 반영한 변수, 는 양자화 잡음(QN)을 의미한다.) (here, is the number of receiving antennas, is the power of the pilot transmitted by the uplink, is the pilot length, is the large-scale Rayleigh fading coefficient, is a channel estimation related constant, is a variable reflecting the effects of multiuser interference and pilot contamination (PC), is a variable reflecting the influence of residual SI and IAI, stands for quantization noise (QN).)
업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 사용되는 [수학식 1]은 유효 잡음은 원하는 신호와 상관관계가 없고 더해지는 가우스 잡음은 최악의 비상관 잡음임이 고려된 것이다. [수학식 1]의 는 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(SE) 하한을 의미한다. [수학식 1]에서 빔포밍 불확실성 이득인 는 로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 다중 사용자 간섭인 는 로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 SI/IAI인 는로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 노이즈인 는 로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 양자화 잡음인 은 로 계산될 수 있다. [Equation 1] used in the uplink spectral efficiency setting step (S220) considers that the effective noise has no correlation with the desired signal and the added Gaussian noise is the worst uncorrelated noise. [Equation 1] Means the lower limit of the spectral efficiency (SE) of the i-th uplink. In [Equation 1], the beamforming uncertainty gain Is can be calculated as In [Equation 1], the multi-user interferer Is can be calculated as SI / IAI in [Equation 1] Is can be calculated as Noise in [Equation 1] Is can be calculated as In [Equation 1], the quantization noise silver can be calculated as
업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 사용되는 [수학식 2]의 는 저해상도 ADC를 구비한 전이중 셀-프리 MIMO의 i번째 업링크의 SINR(signal-to-interference plus noise ratio)을 의미한다. [수학식 2]에서 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염의 효과를 반영한 변수인 는 로 계산될 수 있다. [수학식 2]에서 잔여 SI와 IAI의 영향을 반영한 변수인 는 로 계산될 수 있다. [수학식 2]에서 양자화 잡음인 은 로 계산될 수 있다. [Equation 2] used in the uplink spectral efficiency setting step (S220) Means signal-to-interference plus noise ratio (SINR) of the ith uplink of full-duplex cell-free MIMO with low-resolution ADC. In [Equation 2], a variable that reflects the effects of multi-user interference and pilot contamination Is can be calculated as In [Equation 2], a variable that reflects the influence of residual SI and IAI Is can be calculated as In [Equation 2], the quantization noise silver can be calculated as
업링크 해상도 도출 단계(S230)는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)을 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다. In the uplink resolution derivation step (S230), the maximum energy efficiency is determined by using the uplink spectral efficiency defined in the uplink spectral efficiency setting step (S220) and the energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]. resolution can be extracted.
[수학식 3][Equation 3]
(여기서, 는 대역폭, 는 링크의 수, 는 스펙트럼효율, 는 소모전력을 의미한다.) (here, is the bandwidth, is the number of links, is the spectral efficiency, means power consumption.)
업링크 해상도 도출 단계(S230)는 [수학식 3]에서 해상도(b)를 변수로 하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다. 업링크 해상도 도출 단계(S230)는 수신 어레이의 수를 증가시켜 양자화 잡음으로 인한 손실을 보상할 수 있다. 다만, 수신 어레이가 증가되면 더 많은 ADC가 요구되어 전력 소모가 악화되므로 해상도만을 변수로 하는 것이 바람직하다. In the uplink resolution derivation step (S230), the resolution having the maximum energy efficiency may be extracted by using the resolution (b) as a variable in [Equation 3]. In the uplink resolution derivation step ( S230 ), loss due to quantization noise may be compensated for by increasing the number of receiving arrays. However, as the number of receiving arrays increases, more ADCs are required and power consumption deteriorates. Therefore, it is preferable to use only resolution as a variable.
업링크 해상도 도출 단계(S230)에서 사용되는 [수학식 3]의 a는 를 의미한다. 따라서, [수학식 3]은 다운링크 해상도 도출에도 사용될 수 있다. [수학식 3]에서 업링크에서의 소모전력인 (단, a=u)는 로 계산될 수 있다. 여기서, 는 저잡음 증폭기의 소모전력, 는 믹서의 증폭기의 소모전력, 는 중간 주파수 증폭기의 소모전력, 는 능동 필터의 소모전력, 는 주파수 합성기의 소모전력, 는 자동 이득 제어기의 소모전력, 는 ADC의 소모전력을 의미한다. a in [Equation 3] used in the uplink resolution derivation step (S230) is means Therefore, [Equation 3] can also be used to derive downlink resolution. In [Equation 3], the power consumption in the uplink is (However, a = u) can be calculated as here, is the power consumption of the low-noise amplifier, is the power consumption of the amplifier of the mixer, is the power consumption of the intermediate frequency amplifier, is the power consumption of the active filter, is the power consumption of the frequency synthesizer, is the power consumption of the automatic gain controller, is the power consumption of the ADC.
는 로 계산될 수 있다(단, 은 1일 때, c=0 또는 일 때, c=1). 여기서, 는 컨버터의 공급 전원, 는 코너 주파수, 는 주어진 CMOS에 대한 최소 채널 길이를 의미한다. Is It can be calculated as (however, is 1, c=0 or When c=1). here, is the supply power of the converter, is the corner frequency, means the minimum channel length for a given CMOS.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)에서 송신한 신호를 다운링크에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법은 다운링크 채널 설정 단계(S310), 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320), 및 다운링크 해상도 도출 단계(S330)를 포함할 수 있다. FIG. 3 shows a flowchart for deriving an optimal resolution of an ADC used to receive a signal transmitted from an access point (AP) in a downlink according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the resolution optimization method of the cell-free massive multiple input/output transmission device may include a downlink channel setting step (S310), a downlink spectral efficiency setting step (S320), and a downlink resolution derivation step (S330). can
다운링크 채널 설정 단계(S310)는 k번째의 다운링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 2]로 채널이 정의할 수 있다.In the downlink channel setting step (S310), the k-th downlink channel may be defined by [Relationship 2] for the m-th access point (AP).
[관계식 2][Relationship 2]
(여기서, ζ는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고, 는 small-scale 페이딩 벡터이다.) (Where ζ is the large-scale Rayleigh fading coefficient, is a small-scale fading vector.)
다운링크 채널 설정 단계(S310)는 을 만족하고 각 원소들은 로써 모델링되는 를 정의할 수 있다. 다운링크 채널 설정 단계(S310)는 small-scale 페이딩이 coherence 구간() 동안 변경 없이 유지되며, 각 coherence 구간()은 독립적으로 변경되는 것으로 채널을 정의할 수 있다. Downlink channel setting step (S310) and each element is modeled as can define In the downlink channel setting step (S310), small-scale fading is a coherence section ( ) and remains unchanged during each coherence interval ( ) can define a channel as being changed independently.
다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)는 [수학식 4]을 [수학식 5]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 k번째의 다운링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의할 수 있다. 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 사용되는 [수학식 1]과 [수학식 2]는 다운링크에서 신호를 디코딩하기 위해 즉각적인 CSI를 사용하지 않는다고 가정된 것이다. In the downlink spectral efficiency setting step (S320), the spectral efficiency (SE) of the k-th downlink may be defined as a closed solution obtained by substituting [Equation 4] into [Equation 5]. [Equation 1] and [Equation 2] used in the downlink spectral efficiency setting step (S320) assume that instantaneous CSI is not used to decode a signal in the downlink.
[수학식 4][Equation 4]
(여기서, 는 ADC 해상도, 는 다운링크 전송 전력, M은 업링크의 수, 는 정규화 요소, 는 빔포밍 불확실성 이득, 는 다중 사용자 간섭, 는 업링크-다운링크 간섭, 는 양자화잡음(QN)을 의미한다. 여기서 는 수신신호이다.) (here, is the ADC resolution, is the downlink transmit power, M is the number of uplinks, is the regularization factor, is the beamforming uncertainty gain, is multi-user interference, is the uplink-downlink interference, denotes quantization noise (QN). here is the received signal.)
[수학식 5][Equation 5]
(여기서, 는 송신 안테나 수, (는 ADC 해상도), 은 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염의 효과를 반영한 변수, 는 양자화 잡음, (는 n번째 AP에서 m번째 AP로의 large-scale 페이딩, 는 잔여간섭)을 의미한다.) (here, is the number of transmit antennas, ( is the ADC resolution), is a variable reflecting the effects of multi-user interference and pilot contamination, is the quantization noise, ( is large-scale fading from the n-th AP to the m-th AP, is the residual interference).)
다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 사용되는 [수학식 4]은 유효 잡음은 원하는 신호와 상관관계가 없고 더해지는 가우스 잡음은 최악의 비상관 잡음임이 고려된 것이다. [수학식 4]의 는 k번째의 다운링크의 성취 가능한 스펙트럼 효율(SE)을 의미한다. [수학식 4]에서 빔포밍 불확실성 이득인 는 로 계산된다. [수학식 4]에서 빔포밍 불확실성 이득인 는 로 계산된다. [수학식 4]에서 다중 사용자 간섭인 는 로 계산된다. [수학식 4]에서 업링크-다운링크 간섭인 는 로 계산된다. [Equation 4] used in the downlink spectral efficiency setting step (S320) considers that the effective noise has no correlation with the desired signal and the added Gaussian noise is the worst uncorrelated noise. [Equation 4] denotes the achievable spectral efficiency (SE) of the k-th downlink. In [Equation 4], the beamforming uncertainty gain Is is calculated as In [Equation 4], the beamforming uncertainty gain Is is calculated as In [Equation 4], the multi-user interferer Is is calculated as In [Equation 4], the uplink-downlink interferer Is is calculated as
다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 사용되는 [수학식 5]의 는 MRT 프리코딩 및 저해상도 ADC를 구비한 전이중 셀-프리 MIMO의 k번째 다운링크의 SINR(signal-to-interference plus noise ratio)을 의미한다. [수학식 5]에서 다중 사용자 간섭인 는 로 계산될 수 있다. [수학식 5]에서 양자화 잡음인 는 로 계산될 수 있다. [Equation 5] used in the downlink spectral efficiency setting step (S320) Means signal-to-interference plus noise ratio (SINR) of the k-th downlink of full-duplex cell-free MIMO with MRT precoding and low-resolution ADC. In [Equation 5], the multi-user interferer Is can be calculated as In [Equation 5], the quantization noise Is can be calculated as
다운링크 해상도 도출 단계(S330)는 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 정의한 다운링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다. In the downlink resolution derivation step (S330), the maximum energy efficiency is determined by using the downlink spectral efficiency defined in the downlink spectral efficiency setting step (S320) and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]. resolution can be extracted.
다운링크 해상도 도출 단계(S330)는 [수학식 5]에서 알 수 있듯이 성취 가능한 신호와 양자화 잡음이 엑세스 포인트의 수(M)와 같은 속도로 증가하기 때문에 엑세스 포인트의 수를 증가시켜 양자화 잡음을 보상하는 것은 효율적이지 않다. 따라서 다운링크 해상도 도출 단계(S330)는 ADC의 해상도를 변수로 하여 최대의 에너지효율을 추출하는 것이 바람직하다. In the downlink resolution derivation step (S330), as shown in [Equation 5], since the achievable signal and quantization noise increase at the same rate as the number of access points (M), the number of access points is increased to compensate for the quantization noise Doing so is not efficient. Therefore, in the downlink resolution deriving step (S330), it is preferable to extract the maximum energy efficiency using the resolution of the ADC as a variable.
[수학식 3]에서 다운링크에서의 소모전력인 (단, a=d)는 로 계산될 수 있다.In [Equation 3], the power consumption in the downlink is (However, a = d) can be calculated as
본 발명의 다른 실시예로 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 시스템은 업링크 채널 설정부, 업링크 스펙트럼효율 설정부 및 업링크 해상도 도출부를 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, a resolution optimization system of a cell-free massive multiple input/output transmission device may include an uplink channel setting unit, an uplink spectrum efficiency setting unit, and an uplink resolution derivation unit.
업링크 채널 설정부는 i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의할 수 있다. 업링크 채널 설정부는 전술한 업링크 채널 설정 단계의 기능을 수행한다.The uplink channel setting unit may define a channel for the i-th uplink to the m-th access point (AP) according to [Relationship Equation 1]. The uplink channel setting unit performs the function of the above-described uplink channel setting step.
업링크 스펙트럼효율 설정부는 [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의할 수 있다. 업링크 스펙트럼효율 설정부는 전술한 업링크 스펙트럼효율 설정 단계의 기능을 수행한다. The uplink spectral efficiency setting unit may define spectral efficiency (SE) of the i-th uplink as a closed solution obtained by substituting [Equation 1] into [Equation 2]. The uplink spectral efficiency setting unit performs the function of the above-described uplink spectral efficiency setting step.
업링크 해상도 도출부는 업링크 SE 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)을 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다. 업링크 해상도 도출부는 전술한 업링크 해상도 도출 단계의 기능을 수행한다. The uplink resolution derivation unit may extract a resolution having maximum energy efficiency using the uplink spectrum efficiency defined in the uplink SE setting step and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]. The uplink resolution derivation unit performs the function of the above-described uplink resolution derivation step.
이하에서는, 본 발명에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법의 예시적인 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, an exemplary embodiment of a method for optimizing the resolution of a cell-free Massive Multiple Input Output (MIMO) transmission device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 실시예에서는 개 채널 구현에 대한 Monte Carlo 시뮬레이션에 의한 분석 결과이다. 본 실시예에서는 파라미터값으로 , , , , 를 사용하였다. 파일럿 시퀀스는 각 사용자에게 무작위로 할당되는 것으로 설정하였다. ADC는 단순화를 위해 모든 AP 및 DL 사용자에게 동일한 해상도를 사용하였다. , , 이고, 여기서 는 업링크 전력, 는 다운링크 전력, 는 파일럿 전력을 의미한다. , , , , 의 값을 사용하였다. 엑세스 포인트와 사용자는 의 영역에 균일하게 분포되어 있는 것으로 설정하였다. 임의의 두 노드 사이의 large-scale 페이딩은 으로 설정된다. 여기서 는 표준편차가 , 인 섀도우 페이딩을 의미한다. 는 경로손실을 의미한다. 또한, 의 값을 사용하였다. In this embodiment This is the analysis result by Monte Carlo simulation for the implementation of two channels. In this embodiment, as a parameter value , , , , was used. The pilot sequence was set to be randomly assigned to each user. The ADC uses the same resolution for all AP and DL users for simplicity. , , and here is the uplink power, is the downlink power, denotes the pilot power. , , , , The value of was used. access points and users It was set to be uniformly distributed in the area of . The large-scale fading between any two nodes is is set to here is the standard deviation , Indicates in-shadow fading. is the path loss. also, The value of was used.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)의 수(M)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 업링크의 경우 스펙트럼 효율(SE)은 엑세스 포인트(AP)의 수(M)가 증가함에 따라 단조롭게 증가하고 ADC의 해상도 b가 감소함에 따라 감소한다. 따라서, 업링크에서의 양자화 잡음으로 인한 속도 손실은 엑세스 포인트의 수를 증가시켜 보상할 수 있다. 예를 들어, 30bps/Hz의 업링크 스펙트럼 효율을 달성하려면 무한대의 해상도에 대해 약 23개의 엑세스 포인트가 필요하다. 반면에, 3, 2, 또는 1의 해상도에 대해 30bps/Hz와 유사한 스펙트럼 효율을 얻으러면 25, 28, 또는 42개의 엑세스 포인트가 필요하다. 다운링크의 합 스펙트럼 효율은 업링크와 달리 낮은 해상도에서 엑세스 포인트의 수가 증가함에 따라 빠르게 포화됨을 알 수 있다. 4 is a graph illustrating a change in sum spectral efficiency (SE) with respect to the number (M) of access points (APs) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , in the case of uplink, spectrum efficiency (SE) increases monotonically as the number (M) of access points (APs) increases and decreases as the resolution b of the ADC decreases. Therefore, speed loss due to quantization noise in the uplink can be compensated for by increasing the number of access points. For example, to achieve an uplink spectral efficiency of 30 bps/Hz, approximately 23 access points are required for infinite resolution. On the other hand, for resolutions of 3, 2, or 1, 25, 28, or 42 access points are required to obtain a spectral efficiency similar to 30 bps/Hz. It can be seen that the sum spectral efficiency of the downlink rapidly saturates as the number of access points increases at a low resolution, unlike the uplink.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 해상도(b)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 다운링크와 업링크의 스펙트럼 효율 모두 수렴할 때가지 해상도(b)이 증가함에 따라 단조롭게 증가한다. 업링크의 경우 수렴하기 위해 약 5비트의 ADC 해상도가 필요하다. 다운링크의 경우 수렴하기 위해 약 7비트의 ADC 해상도가 필요하다. 업링크는 낮은 해상도 영역(즉, b= 1, 2)에서 다운링크에 비해 월등한 성장을 보이지만, b>2의 해상도 영역에서는 월등함이 감소한다. 다운링크는 낮은 해상도 영역에서 양자화 잡음이 업링크에서 보다 우세하다. 다운링크는 b>2에서는 양자화 잡음의 효과가 줄어들어 업링크에서 보다 더 높은 스펙트럼 효율을 갖는다. 5 is a graph showing a change in sum spectral efficiency (SE) with respect to resolution (b) of an ADC according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 5, the spectral efficiency of both downlink and uplink increases monotonically with increasing resolution (b) until convergence. For the uplink, about 5 bits of ADC resolution are required to converge. For the downlink, about 7 bits of ADC resolution are required to converge. The uplink shows superior growth compared to the downlink in the lower resolution region (i.e. b = 1, 2), but the superiority decreases in the resolution region b>2. In the downlink, quantization noise in the low resolution region is more dominant than in the uplink. The downlink has a higher spectral efficiency than the uplink because the effect of quantization noise is reduced when b>2.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잔여 자기간섭(SI)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 전이중 방식의 스펙트럼 효율은 잔여 자기간섭(SI)이 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 반이중 방식의 스펙트럼 효율은 자기간섭(SI), 엑세스 포인트간 간섭(IAI), 및 업링크-다운링크 간섭(UDI)의 영향을 받지 않으므로 고정된 상태로 유지된다. 6 is a graph illustrating a change in sum spectral efficiency (SE) with respect to residual self-interference (SI) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , it can be seen that the spectral efficiency of the full-duplex method decreases as residual self-interference (SI) increases. The spectral efficiency of the half-duplex scheme remains fixed because it is not affected by self-interference (SI), inter-access point interference (IAI), and uplink-downlink interference (UDI).
합 스텍트럼 효율(SE)은 일반적으로 해상도(b)가 커질수록 향상된다. 전이중 셀-프리 MIMO는 해상도(b)가 증가함에 따라 잔여 자기간섭(SI)에 대한 전이중의 저항이 커지므로 작동영역이 증가한다. 일 실시예로, b=1일 때, 전이중 방식은 영역에서 반이중 방식을 능가한다. 반면, b=2일 때, 전이중 방식은 영역에서 반이중 방식을 능가한다. 이는 해상도(b)가 감소함에 따라 가 감소하여 양자화 잡음에 대한 잔여 자기간섭(SI), 엑세스 포인트간 간섭(IAI), 및 업링크-다운링크 간섭(UDI)의 영향을 증가시키는 [수학식 2]과 [수학식 4]로부터 알 수 있다. 또한, 전이중 방식은 에서 반이중 방식 보다 약 98.82% 더 높은 스펙트럼 효율을 달성한다. The sum spectral efficiency (SE) generally improves as the resolution (b) increases. In full-duplex cell-free MIMO, as the resolution (b) increases, the full-duplex resistance to residual self-interference (SI) increases, so the operating range increases. In one embodiment, when b = 1, the full-duplex scheme is It outperforms half-duplex in the area. On the other hand, when b = 2, full-duplex It outperforms half-duplex in the area. As the resolution (b) decreases It can be seen from [Equation 2] and [Equation 4] that increases the effects of residual self-interference (SI), inter-access point interference (IAI), and uplink-downlink interference (UDI) on quantization noise by decreasing can Also, full-duplex achieves about 98.82% higher spectral efficiency than half-duplex in
도 7은 업링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 7의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 7의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 7 is a graph of energy efficiency (EE) of an uplink, and FIG. 7 (a) shows a graph showing a change in energy efficiency (EE) with respect to resolution (b) of an ADC. 7(b) shows a graph showing the change in energy efficiency (EE) for sum spectral efficiency (SE).
도 7의 (a)를 참조하면, 에너지 효율(EE)는 해상도가 1에서 2로 증가하는 동안에는 해상도와 선형적으로 증가한다. 반면에, 에너지 효율(EE)은 해상도가 2보다 큰 경우에는 ADC의 전력 소비가 기하급수적으로 증가하므로 0으로 수렴한다. 이분법과 같은 간단한 선 탐색 알고리즘을 이용하면 에너지 효율(EE)를 최대화하는 최적의 해상도(b)를 도출할 수 있다. 업링크 해상도 도출 단계(S230)에서는 이와 같이 에너지 효율(EE)을 최대화하는 최적의 해상도를 도출하는 기능을 수행할 수 있다. Referring to (a) of FIG. 7 , while the resolution increases from 1 to 2, the energy efficiency (EE) increases linearly with the resolution. On the other hand, energy efficiency (EE) converges to zero when the resolution is greater than 2, as the power consumption of the ADC increases exponentially. Using a simple line search algorithm such as the bisection method, an optimal resolution (b) that maximizes energy efficiency (EE) can be derived. In the uplink resolution derivation step (S230), a function of deriving an optimal resolution maximizing energy efficiency (EE) can be performed.
에너지 효율(EE)은 RF 체인이 증가하면 그에 따라 더 많은 ADC가 필요하기 때문에 일반적으로 M이 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 총 전력 소비는 엑세스 포인트의 수(M) 및 수신 어레이 에 따라 선형적으로 증가한다. 반면에, 스펙트럼 효율(SE)은 M이 증가함에 따라 대수 비율로 증가한다. 또한, 에너지 효율(EE)은 가 40dB에서 100dB로 증가함에 따라 감소한다. 전이중 방식은 반이중 방식보다 훨씬 더 높은 에너지 효율(EE)을 제공함 역시 알 수 있다. Energy efficiency (EE) typically decreases as M increases, as more ADCs are required as the RF chain increases. Thus, the total power consumption depends on the number of access points (M) and the receiving array increases linearly with On the other hand, the spectral efficiency (SE) increases in a logarithmic ratio as M increases. Also, energy efficiency (EE) is decreases as β increases from 40 dB to 100 dB. It can also be seen that full-duplex provides much higher energy efficiency (EE) than half-duplex.
도 7의 (b)를 참조하면, 가장 우수한 합 스펙트럼 효율(SE)은 가장 오른쪽 지점에 표시된다. 반면에, 최상의 에너지 효율(EE)은 가장 상단 지점에 표시된다. 따라서, 최상의 EE/SE 절충점은 오른쪽 상단 지점에서 달성됨을 알 수 있다. 도시된 바와 같이, 에너지 효율(EE)과 스펙트럼 효율(SE)은 해상도(b)가 1에서 2비트로 증가함에 따라 향상된다. 그러나 b>2인 경우에는, 스펙트럼 효율(SE)이 포화되는 동안 에너지 효율(EE)은 감소한다. 또한, M이 증가함에 따라, 스펙트럼 효율(SE)은 전반적으로 향상되고 에너지 효율(EE)은 감소한다. Referring to (b) of FIG. 7, the best sum spectral efficiency (SE) is displayed at the rightmost point. On the other hand, the best energy efficiency (EE) is displayed at the topmost point. Thus, it can be seen that the best EE/SE compromise is achieved at the upper right corner. As shown, energy efficiency (EE) and spectral efficiency (SE) improve as the resolution (b) increases from 1 to 2 bits. However, when b>2, the energy efficiency (EE) decreases while the spectral efficiency (SE) is saturated. Also, as M increases, the spectral efficiency (SE) improves overall and the energy efficiency (EE) decreases.
전이중 방식의 전체 EE/SE 작동 영역의 포락선은 가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 전이중 방식의 시스템의 유연성이 감소한다. 전이중 방식의 작동 영역은 1/2 pre-log factor로 인해 반이중 방식 보다 훨씬 넓다. 따라서, 반이중 방식 보다 전이중 셀-프리 MIMO에서 저해상도 ADC를 사용하는 것이 에너지 효율 측면에서 더 유리하다. The envelope of the full-duplex EE/SE operating range is decreases as increases. Accordingly, the flexibility of the full-duplex system is reduced. The operating range of full-duplex is much wider than that of half-duplex due to the 1/2 pre-log factor. Therefore, it is more advantageous in terms of energy efficiency to use a low-resolution ADC in full-duplex cell-free MIMO than in half-duplex mode.
도 8은 다운링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 8의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 8의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 8 is a graph of downlink energy efficiency (EE), and FIG. 8 (a) shows a graph showing a change in energy efficiency (EE) with respect to ADC resolution (b). 8(b) shows a graph showing the change in energy efficiency (EE) for sum spectral efficiency (SE).
도 8의 (a)를 참조하면, 에너지 효율(EE)은 해상도(b)가 1에서 4로 증가함에 따라 단조롭게 증가한다. 에너지 효율(EE)은 b>4에서 감소한다. 다운링크의 에너지 효율(EE)은 업링크과 대조적으로 엑세스 포인트의 수(M)가 증가하면 스펙트럼 효율(SE)가 개선되기 때문에 M이 중가함에 따라 상승한다. 다운링크 사용자의ADC의 전력 소비는 엑세스 포인트의 수(M)과 무관하다. 다운링크의 에너지 효율(EE)은 반이중 방식보다 전이중 방식에서 두 배가 향상되었다. 또한, 다운링크의 에너지 효율(EE)은 의 증가에 따른 영향이 거의 없다. Referring to (a) of FIG. 8 , energy efficiency (EE) increases monotonically as the resolution (b) increases from 1 to 4. Energy efficiency (EE) decreases at b>4. Energy efficiency (EE) of downlink increases as M increases because, in contrast to uplink, spectrum efficiency (SE) improves when the number of access points (M) increases. The power consumption of a downlink user's ADC is independent of the number of access points (M). Downlink energy efficiency (EE) is doubled in full-duplex compared to half-duplex. In addition, the energy efficiency (EE) of the downlink is has little effect on the increase in
도 8의 (b)를 참조하면, 에너지 효율(EE)과 스펙트럼 효율(SE)은 해상도(b)가 1에서 4호 향상됨에 따라 증가함을 알 수 있다. 반면, b>4의 경우에는 스펙트럼 효율(SE)이 정체 상태를 유지함에 따라 에너지 효율(EE)이 감소한다. Referring to (b) of FIG. 8 , it can be seen that energy efficiency (EE) and spectral efficiency (SE) increase as the resolution (b) increases from 1 to 4 arcs. On the other hand, when b>4, energy efficiency (EE) decreases as spectral efficiency (SE) remains stagnant.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications are possible to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.
Claims (5)
[수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계; 및
상기 업링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출 단계;를 포함하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
[관계식 1]
(여기서, β는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고, 는 small-scale 페이딩 벡터이다.)
[수학식 1]
(여기서, 는 coherence 구간, 는 남은 구간, 는 업링크 전송 전력, M은 엑세스 포인트의 수, (는 ADC 해상도), 는 빔포밍 불확실성 이득, 는 다중 사용자 간섭, 는 SI/IAI(self-interference/inter-AP interference), 는 노이즈, 는 양자화잡음(quantization noise, QN)을 의미한다.)
[수학식 2]
(여기서, 는 수신 안테나 수, 는 업링크가 전송한 파일럿의 전력, 는 파일럿 길이, 는 large-scale의 레일리 페이딩 계수, 는 채널추정 관련 상수, 는 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염(PC)의 효과를 반영한 변수, 는 잔여 SI와 IAI의 영향을 반영한 변수, 는 양자화 잡음(QN)을 의미한다.)
an uplink channel setting step in which the i-th uplink defines a channel with respect to the m-th access point (AP) by [Relationship Equation 1];
an uplink spectral efficiency setting step of defining spectral efficiency (SE) of the i-th uplink as a closed-type solution obtained by substituting [Equation 1] into [Equation 2]; and
an uplink resolution derivation step of extracting a resolution having maximum energy efficiency using the uplink spectral efficiency defined in the uplink spectral efficiency setting step and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]; Resolution optimization method of a cell-free massive multiple input/output transmission device comprising a.
[Relationship 1]
(Where β is the large-scale Rayleigh fading coefficient, is a small-scale fading vector.)
[Equation 1]
(here, is the coherence interval, is the remaining interval, is the uplink transmit power, M is the number of access points, ( is the ADC resolution), is the beamforming uncertainty gain, is multi-user interference, Is SI/IAI (self-interference/inter-AP interference), is the noise, means quantization noise (QN).)
[Equation 2]
(here, is the number of receiving antennas, is the power of the pilot transmitted by the uplink, is the pilot length, is the large-scale Rayleigh fading coefficient, is a channel estimation related constant, is a variable reflecting the effects of multiuser interference and pilot contamination (PC), is a variable reflecting the influence of residual SI and IAI, stands for quantization noise (QN).)
k번째의 다운링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 2]로 채널을 정의하는 다운링크 채널 설정 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
[관계식 2]
(여기서, ζ는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고, 는 small-scale 페이딩 벡터이다.)
According to claim 1,
Resolution optimization of a cell-free massive multiple input/output transmission device further comprising; a downlink channel setting step in which the k-th downlink defines a channel for the m-th access point (AP) by [Relationship 2] method.
[Relationship 2]
(Where ζ is the large-scale Rayleigh fading coefficient, is a small-scale fading vector.)
[수학식 4]을 [수학식 5]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 k번째의 다운링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)이 정의되는 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
[수학식 4]
(여기서, 는 ADC 해상도, 는 다운링크 전송 전력, M은 업링크의 수, 는 정규화 요소, 는 빔포밍 불확실성 이득, 는 다중 사용자 간섭, 는 업링크-다운링크 간섭, 는 양자화잡음(QN)을 의미한다. 여기서 는 수신신호이다.)
[수학식 5]
(여기서, 는 송신 안테나 수, (는 ADC 해상도), 은 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염의 효과를 반영한 변수, 는 양자화 잡음, (는 n번째 AP에서 m번째 AP로의 large-scale 페이딩, 는 잔여간섭)을 의미한다.)
According to claim 2,
Further comprising a downlink spectral efficiency setting step in which the spectral efficiency (SE) of the k-th downlink is defined as a closed solution obtained by substituting [Equation 4] into [Equation 5]. Method for optimizing the resolution of a cell-free massive multiple input/output transmission device.
[Equation 4]
(here, is the ADC resolution, is the downlink transmit power, M is the number of uplinks, is the regularization factor, is the beamforming uncertainty gain, is multi-user interference, is the uplink-downlink interference, denotes quantization noise (QN). here is the received signal.)
[Equation 5]
(here, is the number of transmit antennas, ( is the ADC resolution), is a variable reflecting the effects of multi-user interference and pilot contamination, is the quantization noise, ( is large-scale fading from the n-th AP to the m-th AP, is the residual interference).)
상기 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 다운링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 다운링크 해상도 도출 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
According to claim 3,
a downlink resolution derivation step of extracting a resolution having maximum energy efficiency using the downlink spectral efficiency defined in the downlink spectral efficiency setting step and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]; A method for optimizing the resolution of a cell-free massive multiple input/output transmission device, characterized in that it further comprises.
[수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정부; 및
상기 업링크 스펙트럼효율 설정부가 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출부;를 포함하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 시스템.
an uplink channel setting unit for defining a channel for an i-th uplink with respect to an m-th access point (AP) by [Relational Expression 1];
an uplink spectral efficiency setting unit defining spectral efficiency (SE) of the i-th uplink as a closed solution obtained by substituting [Equation 1] into [Equation 2]; and
An uplink resolution derivation unit for extracting a resolution having maximum energy efficiency using the uplink spectral efficiency defined by the uplink spectral efficiency setting unit and energy efficiency (EE) defined by [Equation 3]; A system for optimizing the resolution of a cell-free massive multi-output transmission device comprising:
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KR1020210176886A KR20230088591A (en) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | Resolution optimization method of cell-free massive mimo and system using same |
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KR101790498B1 (en) | 2016-03-25 | 2017-11-20 | 한밭대학교 산학협력단 | Full-duplex wireless backhaul system using massive multiple input multiple output |
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