[논문]ZFBF 기반 다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 효과적인 채널 피드백 기법

오태열; 안성수; 최승원

ZFBF 기반 다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 효과적인 채널 피드백 기법
An Efficient Channel Feedback Method for Zeroforcing Beamforming Based Multi-User Multiple-Input Multiple-Output System 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.34 no.9A, 2009년, pp.673 - 678

오태열 (한양대학교 전자통신공학과) , 안성수 (명지전문대학 정보통신과) , 최승원 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과)

초록
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본 논문은 다중 사용자 MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output) 하향링크 채널 환경에서 시스템 용량을 향상시키기 위한 피드백 방법에 대해 연구하였다. 기존의 피드백 방법인 CVQ (Channel Vector Quantization)는 채널 용량을 증가시키기 위하여 피드백 부하를 증가시킬 뿐만 아니라 양자화 비트 수도 증가시킨다. CVQ는 각각의 사용자가 채널을 미리 정의된 N개의 코드북 벡터 중에서 하나로 양자화하여 그 벡터의 인덱스 값을 피드백한다. 본 논문에서는 피드백 부하의 증가없이 채널 상태 정보를 피드백 해줌으로써 시스템 용량을 향상시키는 새로운 피드백 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 기존 방법인 CVQ와 성능을 분석하였다. 송신 안테나 수가 두 개인 경우, 제안 방법은 3비트 피드백으로 기존 CVQ 방법 6비트와 동일한 시스템 용량을 얻는 것을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a feedback method for improving the system capacity of MU-MIMO system for downlink channel environments. In a typical conventional feedback method, CVQ, in order to enhance the channel capacity, not only the feedback load is increased but also the quantization of the channel vector is increased, because the channel parameter of each user has to be fed back after quantizing one of the pre-defined N-codebook vectors. In this paper, a novel feedback method is proposed which provides an improved system capacity by transferring the channel state information without increasing the feedback load. Performance of the proposed method is compared to the conventional CVQ method through computer simulations. The simulation results show that the proposed method with 3-bit feedback provides a system capacity comparable to the CVQ method of 6-bit feedback when the number of transmit antennas is 2.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

피드백 부하가 많이 발생한다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 DFT 코드북을 2단계로 사용하여 피드백 정보를 최소화하는 기법을 제안하였다.
자원의 효율적인 사용을 위해서 적은 피드백 데이터로 최대의 시스템 용량을 얻을 수 있어야 한다. 본 논문에서는 피드백 부하의 양을 크게 증가시키지 않으면서 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 효과적인 피드백 방법을 제안한다.
본 논문은 다중 사용자 MIM0 시스템에서 기존 CVQ 피드백 기법에서 좀더 효율적으로 피드백 방법을 제시함으로써 피드백 부하를 크게 증가시키지 않으면서 시스템 용량을 향상시키는 방법에 대하여 제안하였다. 시뮬레이션을 통해 기존의 CVQ방법의경우 양자화 비트가 증가할수록 시스템 용량이 증가한다는 것을 확인할 수 있었으며, 본 논문에서 제안한 방법을 통해 피드백 비트를 3비트 사용하여 기존의 CVQ 방법 6비트와 동일한 시스템 용량을 얻는 것을 확인할 수 있었다.

가설 설정

k 번째 사용자의 양자화된 채널 벡터 島는 정규화된 채널 벡터也人.)와 코드북(g) 내의 코드 벡터들 간의 유클리디안 거리를 최소화하는 코드를 선택된다.
비교하였다. 본 논문에서는 기존 방법과 제안 방법의 성능을 비교하기 위하여 피드백 채널의 데이터 지연과 에러는 발생하지 않는다고 가정하였다. 또한, 본 논문의 피드백 제안 방법의 성능을 검증하기 위하여 사용자 선택은 사용하지 않았다.

제안 방법

그림 3에서 보는 것처럼, 본 논문에서 제안하는 피드백 방법은 우선 *번째 사용자는 파일롯 신호를 수신하여 자신의 채널 벡터를 추정하고 정규화를 한다. 정규화된 채널 벡터는 수식 (5)를 이용하여 제1 코드북내에서 피드백 할 코드 벡터 인덱스 n을 결정한다 다음으로 현재 프레임의 코드 벡터 인덱스와 이전 프레임에서 구한 코드 벡터 인덱스를 비교한다.
기지국은개의 안테나로 구성되어 있으며, K 명의 사용자가 각각 하나의 안테나를 가지고 있는 하향링크 다중 사용자 MIMO 시스템 모델을 고려해 보자. 그림 1은 다중 사용자 MIMO 시스템의 블록 다이어그램이다.
또한, 본 논문의 피드백 제안 방법의 성능을 검증하기 위하여 사용자 선택은 사용하지 않았다. 본 논문에서 사용자 선택을 사용하지 않아 기지국 송신 안테나와 사용자 수가 같은 경우만 시뮬레이션 하였다.
座는 프리코딩 행렬이다. 본 논문에서 사용하는프리코딩 행렬 坚는 각 사용자가 피드백한 양자화된 채널 벡터의 역행렬을 프리코딩 행렬로 사용한다. 斗旦= 는 사용자 데이터 신호 벡터로 사용자 선택을 통해 선택된 사용자들의 데이터 심볼을 나타낸다.
코드북은 코드 벡터들의 집합이다. 본 논문에서는 2개의 DFT 코드북을 정의하였다. 하나의 코드북을 제1 코드북, 또 다른 하나의 코드북을 제2 코드북이라 부르면, 제1 코드북(g)은 다음과 같이 생성한다.
본 섹션에서는 다중 사용자 MIM0 시스템에서 제안 피드백 방법과 기존 방법의 성능을 Sum Rate 관점에서 비교하였다. 본 논문에서는 기존 방법과 제안 방법의 성능을 비교하기 위하여 피드백 채널의 데이터 지연과 에러는 발생하지 않는다고 가정하였다.
정규화된 채널 벡터는 수식 (5)를 이용하여 제1 코드북내에서 피드백 할 코드 벡터 인덱스 n을 결정한다 다음으로 현재 프레임의 코드 벡터 인덱스와 이전 프레임에서 구한 코드 벡터 인덱스를 비교한다. 만약 코드 벡터 인덱스가 서로 다르면 현재 프레임의 코드 벡터 인덱스 n을 기지국에 피드백해 준다.

대상 데이터

만약 코드 벡터 인덱스가 이전 프레임과같다면, 정규화된 채널 벡터와 현재 프레임의 코드 벡터 n에 속한 제2 코드북에서 수식 (5)를 이용하여 코드 벡터 인덱스 m을 결정한다. 사용자는 코드 벡터 인덱스 m를 기지국에 피드백 해 준다. 추가적으로 리셋 비트를 1로 설정을 하여 피드백 할 수도 있다

성능/효과

그림에서 Perfect_CSIT는 기지국이 사용자가 겪은 채널을 알고 있을때 구한 Sum Rate를 나타낸다. 그림에서 제안 방법은 기존 CVQ 방식의 6비트와 동일한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제안 방법은 기존 방법에 비해 적은 피드백 데이터 비트로 기존 방법에 비해 높은 용량을 획득하는 것을 확인할 수 있다
그림에서 제안 방법은 기존 CVQ 방식의 6비트와 동일한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제안 방법은 기존 방법에 비해 적은 피드백 데이터 비트로 기존 방법에 비해 높은 용량을 획득하는 것을 확인할 수 있다
시뮬레이션을 통해 기존의 CVQ방법의경우 양자화 비트가 증가할수록 시스템 용량이 증가한다는 것을 확인할 수 있었으며, 본 논문에서 제안한 방법을 통해 피드백 비트를 3비트 사용하여 기존의 CVQ 방법 6비트와 동일한 시스템 용량을 얻는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (6)

A. Goldsmith et al., 'Capacity Limits of MIMO Channels,' IEEE JSAC, Vol. 21, pp. 684-702, Jun. 2003
N. Jindal, 'MIMO broadcast channels with finite rate feedback,' in Proc. IEEE Globecom, pp. 1520-1524, Nov. 2005
Q. H. Spencer, C. B. Peel, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, 'An introduction to the multiuser MIMO downlink,' IEEE Comm. Magazine, Vol. 42, No. 10, pp. 60-67, Oct. 2004

상세보기
Philips, 'Comparison between MU-MIMO codebook-based channel reporting techniques for LTE downlink,' 3GPP TSG RAN WG1, R1-062483, Oct. 2006
T. Yoo, N. Jindal, and A. Goldsmith, 'Finiterate feedback MIMO broadcast channels with a large number of users,' in Proc. IEEE int. Symp. info. Th.(ISIT). seattle, WA USA, pp. 1214-1218, Jul. 2006
T. Yoo, N. Jindal, and A. Goldsmith, 'Multi-Antenna Downlink Channels with Limited Feedback and User Selection,' Selected Areas in Communications, IEEE Journal on Volume 25, Issue 7, pp. 1278-1491, Sep. 2007

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