[논문]다중 사용자 다중 입출력 시스템을 위한 Block Tomlinson-Harashima 전처리 기법의 전력 손실 분석

김준두; 이충용

다중 사용자 다중 입출력 시스템을 위한 Block Tomlinson-Harashima 전처리 기법의 전력 손실 분석
Power Loss Analysis of Block Tomlinson-Harashima Precoder for Multi-user MIMO Systems 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.49 no.8 = no.422, 2012년, pp.12 - 18

초록
AI-Helper

본 논문에서는 하향링크 다중사용자(multi-user, MU) 다중입출력(multi-input multi-ouput, MIMO) 시스템에 블록 Tomlinson-Harashima 전처리기(block Tomlinson-Harashima precoder, BTHP)를 적용했을 때, 시스템의 송신 전력에 대한 정확한 분석 결과를 제공하였다. 각 사용자별로 상위 사용자들로부터 전달되는 간섭신호를 BTHP를 통해 제거하는 과정에서 큰 간섭신호 가정을 이용한 기존의 분석과는 달리, 실제로 전달되는 간섭신호의 통계적 특성을 분석함으로써 향상된 정확도를 갖는 분석 방법을 제안하였고, 모의실험을 통해 제안한 분석 결과가 기존 결과보다 정확함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an improved analysis of transmission power of BTHP applied into the downlink multi-user (MU) multi-input multi-output (MIMO) system. On the contrary to the conventional analysis that adopts the strong interference assumption for every users in the system, the proposed analysis approximates the characteristics of the actual interference components so that provides more accurate approximation of the transmission power than that from the conventional analysis. By computer simulations, it is observed that the proposed approximation is more accurate than the conventional one, especially in the case of 4-QAM modulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 MU MIMO 시스템에서 실제 송신 심볼 분포는 대체로 균일하지 않으므로 정확한 성능 분석이 이루어지기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 MU MIMO 시스템에서 BTHP의 송수신전력의 관계를 분석하여 시스템의 성능을 근사하기 위한 도구로써 제시하였다. 균일한 송신 심볼 가정은 각 사용자가 겪는 간섭신호가 매우 크다는 가정에 기인하는데, 본 논문에서는 실제 간섭신호의 통계적 특성을 분석함으로써 정확한 송신 전력 근사값을 제공하였다.
본 논문에서는 MU MIMO 시스템에서 BTHP를 적용하였을 때, 시스템의 송신 전력에 대한 정확한 분석결과를 제시하였다. 기존의 분석 방식이 각 사용자가 겪는 간섭 신호가 충분히 크다는 가정을 통해 BTHP의 송신 심볼이 균일분포를 따른다는 점을 이용한 데 반해, 제안한 분석에서는 MU MIMO 시스템에서 실제로 각 사용자가 겪는 간섭 신호의 통계적 특성을 분석하여 이를 전력 분석에 반영함으로써 더 정확한 결과를 제공하였다.

가설 설정

(12)의 결과는 MU MIMO 시스템에서 BTHP를 적용할 경우 모든 사용자가 겪는 간섭 신호의 크기가 충분히 크다는 가정에 기인한다. 하지만 일반적으로 이는 사실이 아니므로^[8], 더 정확한 분석을 위해서는 중간 크기의 간섭신호 상황에서 송신 전력 분석이 필요하다.
본 장에서는 앞 장에서 제안한 MU MIMO 시스템에서 BTHP의 송신 전력 분석의 정확성을 모의 실험을 통해 검증한다. 각 사용자의 수신 안테나 수는 두 개로 고정되고(N_r=2), 사용자의 수는 1에서 10으로 증가하며 각각의 경우 송신단의 안테나 수는 수신단의 총 안테나수와 동일하다고 가정하였다(N_T=N_R). 시스템의 각 송신 안테나 당 메시지 심볼의 평균 전력 대비 송신 전력을 비교하였으며, 이는 THP의 잘 알려진 손실 중 하나인 전력 손실의 정의와 동일하다.
개의 수신 안테나를 갖는 K명의 사용자를 포함하는 하향링크 MU MIMO 통신 시스템을 고려한다. 시스템의 총 송신 안테나 수 N_T는 총 수신 안테나 수 N_R=KN_r와 같거나 더 많고, 동시에 전송되는 데이터 스트림 수는 N_R과 같다고 가정한다.

제안 방법

Ⅱ장에서는 BTHP를 적용한 MU MIMO 시스템 모델을 설명하고, Ⅲ장에서는 BTHP의 송신 전력을 분석한다. 구체적으로는, 첫 절에서 기존의 분석 기법과 그 문제점을 살펴보고 이어지는 절에서 제안하는 분석 방법을 제시한다. Ⅳ장에서는 모의실험을 통해 제안된 분석의 정확성을 확인하고, V장에서 결론을 내린다.
따라서 본 논문에서는 MU MIMO 시스템에서 BTHP의 송수신전력의 관계를 분석하여 시스템의 성능을 근사하기 위한 도구로써 제시하였다. 균일한 송신 심볼 가정은 각 사용자가 겪는 간섭신호가 매우 크다는 가정에 기인하는데, 본 논문에서는 실제 간섭신호의 통계적 특성을 분석함으로써 정확한 송신 전력 근사값을 제공하였다.
본 논문에서는 MU MIMO 시스템에서 BTHP를 적용하였을 때, 시스템의 송신 전력에 대한 정확한 분석결과를 제시하였다. 기존의 분석 방식이 각 사용자가 겪는 간섭 신호가 충분히 크다는 가정을 통해 BTHP의 송신 심볼이 균일분포를 따른다는 점을 이용한 데 반해, 제안한 분석에서는 MU MIMO 시스템에서 실제로 각 사용자가 겪는 간섭 신호의 통계적 특성을 분석하여 이를 전력 분석에 반영함으로써 더 정확한 결과를 제공하였다. 이는 시스템의 성능을 평가하는데 직접적으로 활용될 수 있으며, BTHP를 고려하는 다양한 시스템의 성능을 평가하는데 있어서 참고자료로 활용될 수 있다.
본 논문에서는 NT 개의 송신 안테나를 갖는 기지국과 각각 Nr개의 수신 안테나를 갖는 K명의 사용자를 포함하는 하향링크 MU MIMO 통신 시스템을 고려한다.
본 장에서는 앞 장에서 제안한 MU MIMO 시스템에서 BTHP의 송신 전력 분석의 정확성을 모의 실험을 통해 검증한다. 각 사용자의 수신 안테나 수는 두 개로 고정되고(N_r=2), 사용자의 수는 1에서 10으로 증가하며 각각의 경우 송신단의 안테나 수는 수신단의 총 안테나수와 동일하다고 가정하였다(N_T=N_R).
각 사용자의 수신 안테나 수는 두 개로 고정되고(N_r=2), 사용자의 수는 1에서 10으로 증가하며 각각의 경우 송신단의 안테나 수는 수신단의 총 안테나수와 동일하다고 가정하였다(N_T=N_R). 시스템의 각 송신 안테나 당 메시지 심볼의 평균 전력 대비 송신 전력을 비교하였으며, 이는 THP의 잘 알려진 손실 중 하나인 전력 손실의 정의와 동일하다.
가 클수록 더 정확한 근사가 가능하다. 적절한 m_0,k를 정하기 위해서는 #의 분산을 고려해야 하는데, 본 논문에서는 Chebyshev 부등식을 이용한 결정 기법을 제안하였다. 만약 수치적분이 #의 전체 PDF 중 p의 비율을 갖는 범위에 대해 이루어지게 하고자 한다면, m_0,k는 다음 조건을 만족시켜야 한다.

성능/효과

그림 2는 16-QAM 변조방식을 사용했을 때의 결과를 도시한 것이다. 그림 1에서와는 달리 기존 분석 결과의 정확도가 높으며, 이로 인해 제안한 분석이 상대적으로 큰 이득을 얻지 못하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 여전히 사용자의 수가 늘어남에 따라 제안하는 분석 결과가 상대적으로 더 정확한 것을 확인할 수 있다.
이는 시스템의 성능을 평가하는데 직접적으로 활용될 수 있으며, BTHP를 고려하는 다양한 시스템의 성능을 평가하는데 있어서 참고자료로 활용될 수 있다. 모의실험 결과를 통해 시스템의 안테나 수가 늘어남에 따라 기존의 분석결과보다 향상된 정확도를 갖는 결과를 제공할 수 있음을 확인하였고, 특히 4-QAM 변조방식의 경우 그 이득이 상대적으로 커짐을 확인하였다.
그림 1은 4-QAM 변조방식을 사용했을 때의 결과를 도시한 것으로 원으로 표시된 실선은 Monte-Carlo 실험으로 얻은 결과이고, 상향 삼각형으로 표시된 실선은 기존의 분석 결과, 그리고 하향 삼각형으로 표시된 실선은 제안한 분석 결과이다. 제안한 분석 결과가 기존의 분석결과에 비해 상대적으로 오차가 적은 것을 확인할 수 있으며, 기존의 분석 결과는 사용자 수가 늘어남에 따라 더 많은 오차를 나타내는 것에 반해 사용자 수가 증가함에 따라 더 정확한 것을 확인할 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 MU MIMO 시스템에서 각 사용자가 겪는 간섭신호의 크기가 전송 심볼의 분포가 균일분포에 가까워지게 하기에는 적기 때문이다.
그림 1에서와는 달리 기존 분석 결과의 정확도가 높으며, 이로 인해 제안한 분석이 상대적으로 큰 이득을 얻지 못하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 여전히 사용자의 수가 늘어남에 따라 제안하는 분석 결과가 상대적으로 더 정확한 것을 확인할 수 있다. 이는 16-QAM의 경우, 4-QAM의 경우에 비해 메시지 심볼의 분포가 균일분포에 상대적으로 가깝기 때문에, 간섭 신호의 크기의 감소에 상대적으로 덜 민감하기 때문이다.

후속연구

는 송신 SNR이다. (9)를 이용하면 기존의 SU MIMO 시스템의 에러 성능 분석 결과를 이용하여 각 사용자의 에러 성능과 시스템의 평균 에러성능을 얻을 수 있고, 이를 위해서는 BTHP의 송신 전력 P_x에 대한 정확한 분석이 필요하다.
기존의 분석 방식이 각 사용자가 겪는 간섭 신호가 충분히 크다는 가정을 통해 BTHP의 송신 심볼이 균일분포를 따른다는 점을 이용한 데 반해, 제안한 분석에서는 MU MIMO 시스템에서 실제로 각 사용자가 겪는 간섭 신호의 통계적 특성을 분석하여 이를 전력 분석에 반영함으로써 더 정확한 결과를 제공하였다. 이는 시스템의 성능을 평가하는데 직접적으로 활용될 수 있으며, BTHP를 고려하는 다양한 시스템의 성능을 평가하는데 있어서 참고자료로 활용될 수 있다. 모의실험 결과를 통해 시스템의 안테나 수가 늘어남에 따라 기존의 분석결과보다 향상된 정확도를 갖는 결과를 제공할 수 있음을 확인하였고, 특히 4-QAM 변조방식의 경우 그 이득이 상대적으로 커짐을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MU MIMO 시스템에서 기지국의 송신 안테나 수를 결정하는 것은 무엇인가?	다중 입출력(multi-input multi-output, MIMO) 기술은 제한된 주파수 대역에서 높은 채널 용량을 얻을 수 있는 기술로, 이를 다중 사용자(multi-user, MU) 통신시스템에 적용하려는 시도들이 있다. MU MIMO 시스템에서는 다중 안테나를 갖는 다수의 사용자들이 하나의 기지국과 통신을 하며, 기지국의 송신 안테나 수는 동시에 데이터를 전송하는 사용자의 총 안테나 수, 혹은 총 데이터 스트림 수만큼의 송신 안테나를 갖는다[1].
	BTHP의 성능을 분석하기 위해 알아야 하는 요소는 무엇인가?	BTHP의 성능을 분석하기 위해서는 송수신 신호 대잡음 비(signal to noise ratio, SNR)의 관계를 알아야 하는데, 기존의 분석은 송신 심볼이 균일 분포를 따른다는 가정 하에서 이루어진다[7]. 하지만 MU MIMO 시스템에서 실제 송신 심볼 분포는 대체로 균일하지 않으므로 정확한 성능 분석이 이루어지기 어렵다.
	MIMO시스템에서 하향링크의 특성상 적은 안테나를 가지는 단일 사용자가 단독으로 송신된 메시지를 추정하는 것이 불가능한 문제를 해결하기 위하여 연구자들은 어떤 시도를 하였는가?	하지만, 하향링크에서는 사용자 간의 협력, 즉 수신 안테나 간의 협력이 제한되어 상대적으로 적은 안테나를 갖는 단일 사용자가 단독으로 송신된 메시지를 추정하는 것이 불가능하다. 따라서, 채널 정보를 아는 송신단(기지국)이 사용자간 간섭(multi-user interference, MUI)을 미리 제거함으로써 각 사용자의 수신을 돕는 시도들이 있었다[1～4].

참고문헌 (10)

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상세보기
J. Liu, and W. A. Krzymien "A Null Space Constraint based Block Tomlinson-Harashima Precoding Technique for the Multi-user MIMO Downlink," in Proc. IEEE PACRIM, 2005, pp. 61-64.
J. Kim, J. Kang, D. Kwon, and C. Lee, "An Improved Block Tomlinson-Harashima Precoder for Multi-user MIMO Systems," in Proc. the 23th ITC-CSCC, 2008, pp. 1373-1376.
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M. Costa, "Writing on dirty paper," IEEE Trans. Inform. Theroy, vol. IT-29, No. 3, pp. 439-441, May 1983.
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상세보기
E. Peh and Y. C. Liang, "Power and Modulo Loss Tradeoff With Expanded Soft Demmapper for LDPC Coded GMD-THP MIMO Systems," IEEE Tran. Wireless Commun., vol. 8, no. 2, pp. 714-724, Feb. 2009.

상세보기
N. Prasad and M. K. Varanasi, "Analysis of Decision Feedback Detection for MIMO Rayleigh-Fading Channels and the Optimization of Power and Rate Allocation," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 50, no. 6, pp. 1009-1025, Jun. 2004.

상세보기
A. M. Tulino, and S. Verdu, Random Matrix Theory and Wireless Communications, Now the Essence of Knowledge, 2004.
D. Senaratne and C. Tellambura, "Performance Analysis of MIMO Channel Inversion in Rayleigh Fading," IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 61, no. 3, pp. 1188-1196, Mar. 2012.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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