Beamforming 기반 MIMO-OFDMA 시스템을 이용한 하향링크 실시간 트래픽 전송 성능 개선 Performance Improvement of Downlink Real-Time Traffic Transmission Using MIMO-OFDMA Systems Based on Beamforming원문보기
미래형 이동통신 시스템에서 셀 경계와 같이 반송파댄간섭전력비 (Carrier-to-Interference Ratio; CIR)가 낮은 열악한 채널 환경에서 하향링크 실시간 트래픽의 전송 성능 개선을 위한 Beanforming 기반 MIMO-OFDMA (Multi Input Multi Output-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템을 제안한다. 우선 기본적인 MIMO-OFDM 시스템의 성능 향상을 위해 송신단 MRT (Maximum Ratio Transmission) 및 수신단 MRC (Maximum Ratio Combining) 기법의 연동을 고려하고, 이에 적합하도록 공간 자원 그룹화 기반의 CSI (Channel State Information) 계산법을 이용한 M-GTA-SBA (Modified-Grouped Transmit Antenna-Simple Bit Allocation) 기법을 고려한다 또한 Beamforming 적용으로 인한 상향링크에서의 과도한 궤환 정보량의 감소를 위해 Beam Weight양자화 기반의 QEGT (Quantized Equal Gain Transmission) 기법을 적용하며, 다중 사용자 환경에서의 효율적인 자원 할당을 위해 P-SRA (Proposed Simple Resource Allocation) 알고리즘을 제안한다. 모의실험 결과, 제안된 시스템은 상향링크의 궤환 정보량을 감안하더라도 H-ARQ IR (Hybrid-Automatic Repeat Request Incremental Redundancy)과 Pseudo-Orthogonal Space Time Block Code를 사용하는 전형적인 개방루프형 MIMO-OFDMA 시스템에 비해 낮은 CIR 영역에서 월등히 개선된 주파수 효율 성능을 보임을 확인하였다.
미래형 이동통신 시스템에서 셀 경계와 같이 반송파댄간섭전력비 (Carrier-to-Interference Ratio; CIR)가 낮은 열악한 채널 환경에서 하향링크 실시간 트래픽의 전송 성능 개선을 위한 Beanforming 기반 MIMO-OFDMA (Multi Input Multi Output-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템을 제안한다. 우선 기본적인 MIMO-OFDM 시스템의 성능 향상을 위해 송신단 MRT (Maximum Ratio Transmission) 및 수신단 MRC (Maximum Ratio Combining) 기법의 연동을 고려하고, 이에 적합하도록 공간 자원 그룹화 기반의 CSI (Channel State Information) 계산법을 이용한 M-GTA-SBA (Modified-Grouped Transmit Antenna-Simple Bit Allocation) 기법을 고려한다 또한 Beamforming 적용으로 인한 상향링크에서의 과도한 궤환 정보량의 감소를 위해 Beam Weight 양자화 기반의 QEGT (Quantized Equal Gain Transmission) 기법을 적용하며, 다중 사용자 환경에서의 효율적인 자원 할당을 위해 P-SRA (Proposed Simple Resource Allocation) 알고리즘을 제안한다. 모의실험 결과, 제안된 시스템은 상향링크의 궤환 정보량을 감안하더라도 H-ARQ IR (Hybrid-Automatic Repeat Request Incremental Redundancy)과 Pseudo-Orthogonal Space Time Block Code를 사용하는 전형적인 개방루프형 MIMO-OFDMA 시스템에 비해 낮은 CIR 영역에서 월등히 개선된 주파수 효율 성능을 보임을 확인하였다.
In this paper, we propose a MIMO-OFDMA (Multi Input Multi Output-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) system based on beamforming for performance improvement of downlink real-time traffic transmission in harsh channel conditions with low CIR (Carrier-to-Interference Ratio). In the proposed...
In this paper, we propose a MIMO-OFDMA (Multi Input Multi Output-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) system based on beamforming for performance improvement of downlink real-time traffic transmission in harsh channel conditions with low CIR (Carrier-to-Interference Ratio). In the proposed system, we first consider the M-GTA-SBA (Modified-Grouped Transmit Antenna-Simple Bit Allocation) using effective CSI (Channel State Information) calculation procedure based on spatial resource grouping, which is adequate for the combination of MRT (Maximum Ratio Transmission) in the transmitter and MRC (Maximum Ratio Combining) in the receiver. In addition, to reduce feedback information for the beamforming, we also apply QEGT (Quantized Equal Gain Transmission) based on quantization of amplitudes and phases of beam weights. Furthermore, considering multi-user environments, we propose the P-SRA (Proposed-Simple Resource Allocation) algorithm for fair and efficient resource allocation. Simulation results reveal that the proposed MIMO-OFDMA system achieves significant improvement of spectral efficiency in low CRI region as compared to a typical open-loop MIMO-OFDMA system using pseudo-orthogonal space time block code and H-ARQ IR (Hybrid-Automatic Repeat Request Incremental Redundancy).
In this paper, we propose a MIMO-OFDMA (Multi Input Multi Output-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) system based on beamforming for performance improvement of downlink real-time traffic transmission in harsh channel conditions with low CIR (Carrier-to-Interference Ratio). In the proposed system, we first consider the M-GTA-SBA (Modified-Grouped Transmit Antenna-Simple Bit Allocation) using effective CSI (Channel State Information) calculation procedure based on spatial resource grouping, which is adequate for the combination of MRT (Maximum Ratio Transmission) in the transmitter and MRC (Maximum Ratio Combining) in the receiver. In addition, to reduce feedback information for the beamforming, we also apply QEGT (Quantized Equal Gain Transmission) based on quantization of amplitudes and phases of beam weights. Furthermore, considering multi-user environments, we propose the P-SRA (Proposed-Simple Resource Allocation) algorithm for fair and efficient resource allocation. Simulation results reveal that the proposed MIMO-OFDMA system achieves significant improvement of spectral efficiency in low CRI region as compared to a typical open-loop MIMO-OFDMA system using pseudo-orthogonal space time block code and H-ARQ IR (Hybrid-Automatic Repeat Request Incremental Redundancy).
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 셀 경계와 같이 CIR이 낮은 열악한 채널에서의 하향링크 실시간 트래픽 전송 성능개선을 위한 Beamforming 기반의 MIMO-OFDMA 시스템을 제안한다. 먼저 기본적인 MIMO-OFDM 시스템의 성능 향상을 위해, 단말기로부터 간단한 CSI (Channel State Information)를 궤환받아 이를 기반으로 채널 특성이 우수한 일부 부채널에 동일한 수의 비트를 할당하여 주파수 다이버시티 이득을 향상하는 SBA (Simple Bit Allocation)⑸와 수신 신호대잡음비 (Signal to Noise Ratio; SNR)를 최대화하기 위해 서로 다른 Beam Weight을 각각의 송신 안테나에 매핑된 데이터심벌에 곱하여 전송함으로써 수신 다이버시티 이득을 향상하는 Beamforming 기법的을 적용한다.
본 논문에서는 셀 가장자리와 같이 낮은 수신 CIR 환경이나 안테나 상관이 큰 환경과 같이 열악한 상황에 있는 단말기의 RT 트래픽의 전송을 위한 RB 세그먼트를 고려하였다. 이러한 열악한 채널 상황에서는 공간 다중화 이득을 통하여 주파수 효율을 극대화 하기보다는 공간 다이버시티를 극대화하여 안정적인 전송을 보장해야 한다.
본 논문에서는 셀 경계와 같이 OR이 낮은 열악한 채널 환경에서 하향링크 실시간 트래픽의 전송 성능 개선을 위한 Beamforming 기반 MIMO-OFDMA 시스템을 제안하였다. 제안 시스템은 MRT/MRC 연동을 고려하고 이에 적합하도록 변형된 공간 자원 그룹화 기반의 CSI 계산법을 이용한 M-GTA-SBA 기법을 적용하였다.
이러한 트래픽 특성을 만족시키기 위해 본 논문에서는 [1 이의 접근 방식에 따라 주파수 및 시간 축으로 구성된 2차원 형태를 가지는 자원 세그먼트를 하나의 패킷 단위로 정의한다. 특정 세그먼트는 주파수 축으로 鸟만큼의 부반송파를 점유하며 시간 축으로 禺만큼의길이를 가진다.
가설 설정
또한 이동성이 작은 상황을 가정하여 도플러 주파수는 16 Hz를 고려하였고, 채널 추정과 시스템 동기는 완벽히 이루어졌다고 가정하였다. OFDM을 위한 전체 부반송파 수는 2048개를 사용하였으며, 이 중에서두 개의 RB 세그먼트에 해당하는 叫 = 128개의 부반송파 중에서 P-SRA 알고리즘을 통해 선택된 叫 = 64 개의 부반송파만을 통해 특정 단말기로의 데이터 전송이 수행된다.
반면에, RT 세그먼트는 QoS (Quality of Service) 에따라 스케줄링을 수행하기 때문에 링크 레벨 다이버시티를 높여서 채널 상태에 강인한 전송을 하게 되므로 최대한의 주파수 다이버시티를 얻어야 하며, 지연 조건이 엄격하기 때문에 작은 를 갖도록 설계되어야 한다. 이에 본 논문에서는 자원 세그먼트, 즉 하나의 패킷 당 512개의 부반송파가 배치된다고 가정하였으며, 그림 2 에서와 같이 자원 세그먼트 종류에 따라 鸟 및 燮 결정된다.
송수신 안테나는 각각 4, 2개인 시스템 환경을 가정하였고, 특히 궤환 정보 감소를 위해 도플러 채널의 시 변 특성에 따른 궤환 정보 전송 주기를 64 OFDM 심볼 구간으로 확장하였다. 한편, 단말기에서 기지국으로의 궤 환 정보 전송을 위해 QPSK 변조 및 부호율이 1/2인 채널 부호를 적용하였다고 가정하였다. 또한, 제안된 Beamforming 기반 MIMO- OFDMA 시스템을 위한 링크 적응과 관련하여 RB 세그먼트에 적용되는 AMC 세트를 표 1과 같이 정의하였으며, 특히 사용된 채널 부호로 zigzag 부호回를 고려하였다.
제안 방법
또한, 제안된 Beamforming 기반 MIMO- OFDMA 시스템을 위한 링크 적응과 관련하여 RB 세그먼트에 적용되는 AMC 세트를 표 1과 같이 정의하였으며, 특히 사용된 채널 부호로 zigzag 부호回를 고려하였다. 그리고 제안된 시스템과의 비교를 위해 별도의 자원 할당 과정없이 한 명의 사용자가 하나의 RB 세그먼트를 점유하여 데이터전송을 수행하는 개방루프형 Pseudo- Orthogonal STBC[4] 시스템을 고려하였으며, 여기서 H-ARQ IR (Hybrid-Automatic Repeat Request Incremental Redundancy)的이 추가 적용되었다.
제안 시스템은 MRT/MRC 연동을 고려하고 이에 적합하도록 변형된 공간 자원 그룹화 기반의 CSI 계산법을 이용한 M-GTA-SBA 기법을 적용하였다. 또한 Beamforming 적용으로 인한 상향링크 궤환정보량의 감소를 위해 Beam Weight에 QEGT 기법을 적용하였으며, 다중 사용자 환경에서의 효율적인 자원할당을 위해 P-SRA 알고리즘을 제안하였다. 전형적인 이동통신 채널 환경에서의 모의실험 결과, 제안 시스템은 상향링크의 궤환 정보량을 감안하더라도 H-ARQ IR과 Pseudo- Orthogonal STBC를 사용하는 일반적인 개방루프형 DiffSeg 시스템에 비해 낮은 CIR 영역에서 큰 주파수 효율 성능 개선을 보임을 확인하였다.
ETP (ExTension Period)는 도플러 채널의 시변 특성에 따른 궤 환 정보 전송 주기를 확장하여 궤환 정보량을 줄이는 요소로서 본 논문에서는 旧:乙P=64 이다. 또한 GSC (Grouped Sub-Carrier)는 채널의 주파수 선택적 페이딩 특성에 따라 그룹화되는 부채널 수로 ETP와 마찬가지로 궤환 정보량을 줄이는 요소이며 본 절에서는 GS<7=4, 8인 경우를 고려하였다. 위 식은 제안 방식과 같은 폐쇄루프형 시스템에서의 상향링크 궤환 정보량에 의한 성능 감소분이 모두 고려된 식임을 주의하여야 한다.
한편, 과도한 궤환 정보량을 줄이기 위해 송신 단 전송 심벌에 곱해지는 각 안테나별 Beam Weight 에 대한 크기 균일화 및 위상 정보 양자화를 기반으로 한 QEGT (Quantized Equal Gain Transmission) 기 법回 을 역시 고려한다. 또한 [10]의 접근 방식에 따라 트래픽 구분을 위해 공간, 주파수, 시간 축으로 구성된 RC (Real Time Center), RB (Real Time Boundary), NRC (Non- real Time Center), NRB (Non-real Time Boundary)의 4가지 자원 세그먼트를 고려하여 이들을 서로 다른 패킷으로 정의하며, 다중 사용자 환경을 위한 3단계에 걸친 P-SRA (Proposed-Simple Resource Allocation) 알고리즘을 제안한다.
한편, 단말기에서 기지국으로의 궤 환 정보 전송을 위해 QPSK 변조 및 부호율이 1/2인 채널 부호를 적용하였다고 가정하였다. 또한, 제안된 Beamforming 기반 MIMO- OFDMA 시스템을 위한 링크 적응과 관련하여 RB 세그먼트에 적용되는 AMC 세트를 표 1과 같이 정의하였으며, 특히 사용된 채널 부호로 zigzag 부호回를 고려하였다. 그리고 제안된 시스템과의 비교를 위해 별도의 자원 할당 과정없이 한 명의 사용자가 하나의 RB 세그먼트를 점유하여 데이터전송을 수행하는 개방루프형 Pseudo- Orthogonal STBC[4] 시스템을 고려하였으며, 여기서 H-ARQ IR (Hybrid-Automatic Repeat Request Incremental Redundancy)的이 추가 적용되었다.
본 논문에서 고려하는 패킷 기반 무선 접속 시스템에서 무선 채널을 겪은 신호의 위치 기반 특성과 시변 특성에 따라 트래픽을 구분할 수 있다. 위치 기반 신호 특성은 셀 내부에 위치하는 단말기와 기지국과의 거리에 따라 특징 지어지는데 단말기가 셀 중앙에 위치할 경우에는 채널의 지연 확산이 작아서 채널에서 제공하는 주파수 다이버시티 자원이 부족하게 되며, 셀 가장자리에 위치할 경우에는 채널의 지연 확산이 커서 주파수 다이버시티 자원을 얻게 된다.
828 kHz, 보호 구간은 5 卩sec로 설정하였다. 송수신 안테나는 각각 4, 2개인 시스템 환경을 가정하였고, 특히 궤환 정보 감소를 위해 도플러 채널의 시 변 특성에 따른 궤환 정보 전송 주기를 64 OFDM 심볼 구간으로 확장하였다. 한편, 단말기에서 기지국으로의 궤 환 정보 전송을 위해 QPSK 변조 및 부호율이 1/2인 채널 부호를 적용하였다고 가정하였다.
여기서 乃개의 송신 안테나와 7V개의 수신 안테나를 사용하고, 전체 부반송파 중에서 특정 凡개 부반송파만을 사용하여 P-SRA 알고리즘을 적용했을 경우 특정 단말기에 대해 채널 상태가 우수한 A匕( V 叫)개의 부반송파만을 통해 데이터 전송을 수행한다. 이를 보다 상세히 설명하면, 기지국에서는 단말기들로부터 궤 환받은 CSI 를 이용하여 P-SRA을 수행한 후 그 결과를 각 단말기에게 통보하게 되고, 단말기에서는 P-SRA에 의해 할당된 자원을 위한 Beam Weight 벡터롤 다시 기지국으로 궤환하게 된다.
제안된 P-SRA 알고리즘에서는 두 명의 사용자들에게 두 개의 RB 세그먼트에 해당되는 자원 맵이 할당되며, 이를 통해 사용자들 각각은 앞서의 M-GTA-SBA 기법을 이용하여 등가적으로 하나의 세그먼트만큼의 자원을 요구한다. 여기서 A:번째 사용자에 할당해야 할 비트 수는 瓦이며, 각 자원에 할당되는 비트수는 B 비트로 동일하다.
먼저 기본적인 MIMO-OFDM 시스템의 성능 향상을 위해, 단말기로부터 간단한 CSI (Channel State Information)를 궤환받아 이를 기반으로 채널 특성이 우수한 일부 부채널에 동일한 수의 비트를 할당하여 주파수 다이버시티 이득을 향상하는 SBA (Simple Bit Allocation)⑸와 수신 신호대잡음비 (Signal to Noise Ratio; SNR)를 최대화하기 위해 서로 다른 Beam Weight을 각각의 송신 안테나에 매핑된 데이터심벌에 곱하여 전송함으로써 수신 다이버시티 이득을 향상하는 Beamforming 기법的을 적용한다. 특히, V-BLAST (Vertical-Bell Labs Layered Space-Time) 방식区을 위한 기존의 SBA 기법을 개선하여, 송신단 MRT (Maximum Ratio Transmission) 및 수신단 MRC (Maximum Ratio Combining) 연동에 적합한 공간 자원 그룹화 기반의 CSI 계산법을 이용한 M-GTA-SBA (Modified-Grouped Transmit Antenna-SBA) 기법図을고려한다. 한편, 과도한 궤환 정보량을 줄이기 위해 송신 단 전송 심벌에 곱해지는 각 안테나별 Beam Weight 에 대한 크기 균일화 및 위상 정보 양자화를 기반으로 한 QEGT (Quantized Equal Gain Transmission) 기 법回 을 역시 고려한다.
대상 데이터
또한 이동성이 작은 상황을 가정하여 도플러 주파수는 16 Hz를 고려하였고, 채널 추정과 시스템 동기는 완벽히 이루어졌다고 가정하였다. OFDM을 위한 전체 부반송파 수는 2048개를 사용하였으며, 이 중에서두 개의 RB 세그먼트에 해당하는 叫 = 128개의 부반송파 중에서 P-SRA 알고리즘을 통해 선택된 叫 = 64 개의 부반송파만을 통해 특정 단말기로의 데이터 전송이 수행된다. OFDM 심벌 주기는 20.
모의실험을 위해 지연 확산이 436 nsec이고, 지수 분포의 전력 지연 프로파일을 따르는 18개 경로로 구성된주파수 선택적 레일리 (Rayleigh) 페이딩 채널을 고려하였다. 또한 이동성이 작은 상황을 가정하여 도플러 주파수는 16 Hz를 고려하였고, 채널 추정과 시스템 동기는 완벽히 이루어졌다고 가정하였다.
이론/모형
나누어 다음과 같이 설명될 수 있다. 두 사용자들은 우선 두 개의 세그먼트로 이루어진 자원 맵에서 M-GTA-SBA 기법을 적용하여 공간 그룹화 된 후보부채 널들을 선정한다. A:번째 사용자의 CSI는 다음과 같이 설명할 수 있다.
하지만, 이러한 GTA-SBA 기법은 V-BLAST 기법을 위한 CSI 계산법을 Beamformin呢에 적용하기 위해 강제적인 공간 자원 그룹화를 적용했기 때문에, 그림 1의 시스템을 위한 송신 단 MRT 및 수신단 MRC 기법 연동에는 적합하지 않다. 따라서 본 논문에서는 송신단 MRT 및 수신단 MRC 기법 연동에 적합한 효율적인 공간 자원 그룹화 기반의 CSI 이득 계산법을 이용한 다음과 같은 M-GTA-SBA (Modified GTA-SBA) 기법을 고려한다.
따라서 일반적인 MIMO-OFDM 시스템에 이러한 V- BLAST 방식을 위한 SBA 기법을 적용하기 위해서는 공간 자원의 그룹화가 불가피하므로, 부채널 내 공간 자원들에 대한 평균 채널 이득을 구하여 이 값이 큰 부 채널들에 동일한 수의 비트를 할당하는 방식인 GTA-SBA (Grouped Transmit Antenna-Simple Bit Allocation) 図를 고려할 수 있다. 하지만, 이러한 GTA-SBA 기법은 V-BLAST 기법을 위한 CSI 계산법을 Beamformin呢에 적용하기 위해 강제적인 공간 자원 그룹화를 적용했기 때문에, 그림 1의 시스템을 위한 송신 단 MRT 및 수신단 MRC 기법 연동에는 적합하지 않다.
하지만 이상적인 Beam Weight 벡터 w (c)의 궤환 정보량이 매우 방대하기 때문에 최대 SNR 성능에 근접하면서도 궤환 정보량을 줄일 수 있는 방법 이 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 [8] 에서와 유사하게 송신단 전송 심벌에 곱해지는 Beam Weight에 대한 크기 및 위상 정보의 균일 또는 양자화 과정을 수행하는 QEGT 기법을 적용한다., 번째 송신 안테나를 위한 이상적인 Beam Weight은 식 ⑶과 같다.
제안한다. 먼저 기본적인 MIMO-OFDM 시스템의 성능 향상을 위해, 단말기로부터 간단한 CSI (Channel State Information)를 궤환받아 이를 기반으로 채널 특성이 우수한 일부 부채널에 동일한 수의 비트를 할당하여 주파수 다이버시티 이득을 향상하는 SBA (Simple Bit Allocation)⑸와 수신 신호대잡음비 (Signal to Noise Ratio; SNR)를 최대화하기 위해 서로 다른 Beam Weight을 각각의 송신 안테나에 매핑된 데이터심벌에 곱하여 전송함으로써 수신 다이버시티 이득을 향상하는 Beamforming 기법的을 적용한다. 특히, V-BLAST (Vertical-Bell Labs Layered Space-Time) 방식区을 위한 기존의 SBA 기법을 개선하여, 송신단 MRT (Maximum Ratio Transmission) 및 수신단 MRC (Maximum Ratio Combining) 연동에 적합한 공간 자원 그룹화 기반의 CSI 계산법을 이용한 M-GTA-SBA (Modified-Grouped Transmit Antenna-SBA) 기법図을고려한다.
제안하였다. 제안 시스템은 MRT/MRC 연동을 고려하고 이에 적합하도록 변형된 공간 자원 그룹화 기반의 CSI 계산법을 이용한 M-GTA-SBA 기법을 적용하였다. 또한 Beamforming 적용으로 인한 상향링크 궤환정보량의 감소를 위해 Beam Weight에 QEGT 기법을 적용하였으며, 다중 사용자 환경에서의 효율적인 자원할당을 위해 P-SRA 알고리즘을 제안하였다.
성능/효과
또한, 그림 8과 10은 그림 7과 9의 제안된 MIMO- 0FDMA 시스템 성능에서 그림 6의 결과를 뺀 주파수 효율 성능 차이를 각각 도시하고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이, 제안된 MIMO-OFDMA 시스템은 상향링크에서의 궤환 정보량을 감안하더라도 RB 세그먼트에서 중요한 낮은 CIR 영역에서 H-ARQ IR과 Pseudo-Orthogonal STBC를■ 사용하는 전형적 인 개방루프형 MIMO- OFDMA 시스템보다 주파수 효율 성능이 크게 개선됨을 볼 수 있고, 특히 무선 채널의 시 변 및 주파수 선택적 특성을 기반으로 하는 궤환 정보량의 효과적인 감소를 통해 더욱 큰 폭의 주파수 효율 성능향상을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한 Beamforming 적용으로 인한 상향링크 궤환정보량의 감소를 위해 Beam Weight에 QEGT 기법을 적용하였으며, 다중 사용자 환경에서의 효율적인 자원할당을 위해 P-SRA 알고리즘을 제안하였다. 전형적인 이동통신 채널 환경에서의 모의실험 결과, 제안 시스템은 상향링크의 궤환 정보량을 감안하더라도 H-ARQ IR과 Pseudo- Orthogonal STBC를 사용하는 일반적인 개방루프형 DiffSeg 시스템에 비해 낮은 CIR 영역에서 큰 주파수 효율 성능 개선을 보임을 확인하였다.
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