[논문]다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 적응적 결합 프리코딩

박주용; 모하마드 아부 하니프; 송상섭; 이문호

doi:10.5573/ieie.2014.51.12.003

다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 적응적 결합 프리코딩
An Adaptive Joint Precoding for Multi-user MIMO Systems 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.12, 2014년, pp.3 - 11

박주용 (신경대학교 인터넷정보통신학과) , 모하마드 아부 하니프 (전북대학교 전자공학부) , 송상섭 (전북대학교 전자공학부) , 이문호 (전북대학교 전자공학부)

초록
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다중 안테나는 송신부가 채널상태정보(CSI : channel state information)를 알고 있으면 높은 채널용량을 제공할 수 있다. 프리코딩(precoding)이란 송신부 측에서 CSI를 이용하는 기술이다. 본 논문에서는 HMP (hybrid multiple-input multiple-output precoding)라 부르는 적응적인 프리코딩 방법을 제시한다. HMP 는 선형과 비선형 프리코딩을 조합한 기술이다. 기존 안테나 선정방법은 4개 이하의 안테나를 사용하나 HMP 방법은 5개 이상의 안테나를 사용한다. 채널 용량을 극대화시키기 위해 주어진 채널 중에서 반드시 선택 되어야하는 채널을 좋은 채널 (good channel)이라 하며, 나쁜 채널 (bad channel) 은 나머지 채널을 의미한다. HMP 방법에서는 좋은 채널에 비선형 프리코딩을 사용하고, 나쁜 채널에 선형 프리코딩을 사용한다. 비선형 프리코딩으로서 고려되고 있는 것은 널리 알려진 THP(Tomlinson-Harashima precoding)이다. 기존 방법인 BD(block diagonalization), antenna selection 및 THP와 제안한 HMP 방법의 성능을 비교하기 위해 이 시스템이 달성할 수 있는 throughput MSE (minimum square error)를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Multiple antennas can provide huge capacity gains when the transmitter knows the channel state information (CSI). Precoding is a technique that exploits CSI at the transmitter side. In this paper, an adaptive precoding scheme is proposed, called a hybrid multiple-input multiple-output (MIMO) precoding (HMP). HMP is a combination of linear and nonlinear precoding. The number of transmit antennas less than or equal to four is as same as the conventional antenna selection scheme. Therefore, the HMP scheme uses more than four transmit antennas. The good channel means that the channels must be selected to maximize the channel capacity among the given channels, and the rest channels are called bad channel. In HMP scheme, we use the nonlinear precoding in the good channels and the linear precoding in the bad channels. The well-known Tomlinson-Harashima precoding (THP) is considered as nonlinear precoding. The system throughput and MSE (minimum square error) are shown for the performance of HMP scheme compared to the conventional schemes which are BD (block diagonalization), antenna selection and THP.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

모의실험을 위해서 N_T = 6-와 N_R = 2인 대칭 다중 사용자 MIMO 하향링크 시스템에 대해 생각해보자. 채널은 quasi-static Rayleigh 플랫 페이딩으로 분포되었다고 가정한다.
본 논문에서는 MIMO 하향링크 시스템을 위한 하이브리드 MIMO 프리코딩 방법을 제안하였다. 기존 프리코딩 방법과 비교해 볼 때 제안 방법이 전체적인 시스템 성능이 개선되었고, 반면에 최대 사용자를 고려해 볼 때는 복잡도가 약 20 % 증가하는 약간의 제약점이 있었다.
주파수 평탄 페이딩 (frequency flat fading) MIMO 채널의 THP 송신부 구조는 ^[11]에서 MMSE 기법을 이용하여 완성 되었다. 본 논문에서는 선형 프리코딩과 비선형 프리코딩을 혼합한 HMP (hybrid MIMO precoding) 기법을 제안한다.
여기에 비선형 연산인 modulo 연산을 추가적으로 수행하는 것이 THP 이다. 본 연구에서는 선형과 비선형 프리코딩이 결합된 하이브리드 프리코딩기법을 제안한다. 이 방법은 인접한 채널 사이에서의 간섭 신호를 순차적으로 제거하는 것으로, 채널 회전과, 채널 Cholesky 분해로 성능을 향상시킬 수 있다.

가설 설정

제안한 HMP 시스템의 블록 다이어그램이 그림 2에 제시되어 있다. 간단히 설명하면 채널 용량을 최대화하기 위해 N 개의 채널 집합을 선택한다고 가정한다. 또한 N 개의 좋은 채널과 M = N+1,…,N_T개의 나쁜 채널이 있다고 가정했다.
또한 N 개의 좋은 채널과 M = N+1,…,NT개의 나쁜 채널이 있다고 가정했다.
정리 : 만약 N_t개의 송신 안테나가 있으면 최대 개수의 좋은 채널이 있어서 용량이 최대화 될 수 있다고 가정한다.
= 2인 대칭 다중 사용자 MIMO 하향링크 시스템에 대해 생각해보자. 채널은 quasi-static Rayleigh 플랫 페이딩으로 분포되었다고 가정한다. 이진변조가 수행되었고 P_i < 1인 각 안테나에 대해 전력 제한이 가해졌다.

제안 방법

제안한 모델은 송신 안테나가 N_T이고 수신 안테나가 N_R인 무선 시스템이다. 제안한 HMP 시스템의 블록 다이어그램이 그림 2에 제시되어 있다.
이진변조가 수행되었고 P_i < 1인 각 안테나에 대해 전력 제한이 가해졌다. 첫 두 채널은 좋은 채널로 THP를 사용하고, 나머지 네 채널은 나쁜 채널로 선형 프리코딩을 사용하고, QPSK 를 변조 방법으로 사용한다. 각 안테나는 이진 변조를 수행하였고 #와 같이 전력을 제한하였다.
)처럼 바꾼다. 표 2에 하이브리드 MIMO 프리코딩 방법의 알고리즘을 제시했다.

이론/모형

ZF (zero forcing)을 이용한 선형 프리코딩 방법은 채널 행렬의 QR 분해 (QR decomposition)를 이용한 기술로 ^[7]에서 제안 되었다. 주파수 평탄 페이딩 (frequency flat fading) MIMO 채널의 THP 송신부 구조는 ^[11]에서 MMSE 기법을 이용하여 완성 되었다. 본 논문에서는 선형 프리코딩과 비선형 프리코딩을 혼합한 HMP (hybrid MIMO precoding) 기법을 제안한다.
이 방법은 인접한 채널 사이에서의 간섭 신호를 순차적으로 제거하는 것으로, 채널 회전과, 채널 Cholesky 분해로 성능을 향상시킬 수 있다. 즉 좋은 채널 (good channel)에는 대표적인 비선형 프리코딩 기법인 TH 프리코딩 기법을, 나쁜 채널 (bad chnnel)에는 선형 프리코딩 기법을 사용한다.

성능/효과

Ⅱ장에서 기존 프리코딩 방법에 대해 서술하고, Ⅲ장에서는 제안한 하이브리드 MIMO 프리코딩과 THP의 기본 모델을 소개하고, Ⅳ장에서는 제안한 HMP throughput 계산에 대해 서술한다. Ⅴ장에서는 HMP 방법의 MSE 계산에 대해 설명하며, 기존 연구 방법과 비교한 모의실험 결과를 Ⅵ장에 제시하고, 마지막으로 Ⅶ장에서 본 연구의 확장 가능성 제시 및 결론을 맺는다.
결론적으로, k번째 신호를 고려할 때 1 ∼ (k- 1)까지의 인접채널 간섭은 제거할 수 있다.
제안한 알고리즘이 기존 방법에 비해 high SNR 14-16에서 MSE 가 2dB 정도 증가함을 알 수 있었다. 계산상의 복잡도는 HPM방법에 비해 1 bit 높았으나 시스템 성능이 모의실험을 통해 증대됨을 알 수 있었다.
8 bit/s/Hz 정도가 개선됨을 보였다. 그림 4와 그림 5에 기존 BD 와 안테나 선택방법, THP와 같은 다른 방법과 비교하여 high SNR 영역인 14-16 dB에서 MSE 가 2dB 정도 증가해 우수함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 MIMO 하향링크 시스템을 위한 하이브리드 MIMO 프리코딩 방법을 제안하였다. 기존 프리코딩 방법과 비교해 볼 때 제안 방법이 전체적인 시스템 성능이 개선되었고, 반면에 최대 사용자를 고려해 볼 때는 복잡도가 약 20 % 증가하는 약간의 제약점이 있었다. HMP 방법은 최대 사용자 수를 동시에 만족시키기 위해서는 성능이 감소될 수 있는 문제는 있다.
기존 BD (Block-Diagonalization)^[14]와 안테나 선택방법, THP 와 같은 다른 시스템과 비교 하여 비트오류 성능을 그림 4와 그림 5에 보였다. 제안한 알고리즘이 기존 방법에 비해 high SNR 14-16에서 MSE 가 2dB 정도 증가함을 알 수 있었다. 계산상의 복잡도는 HPM방법에 비해 1 bit 높았으나 시스템 성능이 모의실험을 통해 증대됨을 알 수 있었다.
또한 N 개의 좋은 채널과 M = N+1,…,N_T개의 나쁜 채널이 있다고 가정했다. 좋은 채널과 나쁜 채널의 구별은 SINR과 통신 reliability t 를 비교하여 SINR 이 크면 좋은 채널이고 적으면 나쁜 채널이다. 예를 들어 BS 근처에 있는 MS는 좋은 채널 상태에 있는 경우이고, 셀 에지 부근의 MS 는 나쁜 채널 상태에 있는 경우이다^[19].
HMP 방법은 최대 사용자 수를 동시에 만족시키기 위해서는 성능이 감소될 수 있는 문제는 있다. 컴퓨터 모의실험 결과 HMP가 선형 프리필터링 ([14]의 HRD)과 비선형 연산인 modulo 작업을 추가적으로 사용하는 기법인 THP 보다 좋은 결과를 보였다. 그림 3에서 보면 기존 방법에 비해 high SNR 쪽인 15 dB에서 5.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리코딩 기법의 단점은 무엇인가?	세 번째 방법으로는 채널 정보를 활용한 송신기법으로 프리코딩 기법이 있으며, 이 기법은 채널 용량을 증가 시킬 수 있다. 그러나 병렬데이터를 동시에 전송하는 경우에 발생하는 간섭 (interference)을, 수신부측에서만 알고 있는 CSI로는 줄일 수가 없다. CSI가 송신부측에서 부분적으로나 완전하게나 이용가능하기만 하면, 채널 용량과 오류 성능을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 하드웨어 복잡도도 줄일 수 있다[3].
	프리코딩이란 무엇인가?	다중 안테나는 송신부가 채널상태정보(CSI : channel state information)를 알고 있으면 높은 채널용량을 제공할 수 있다. 프리코딩(precoding)이란 송신부 측에서 CSI를 이용하는 기술이다. 본 논문에서는 HMP (hybrid multiple-input multiple-output precoding)라 부르는 적응적인 프리코딩 방법을 제시한다.
	MIMO 시스템에서 통신 신뢰성을 증가시키는 방법은 무엇인가?	MIMO 시스템에서 통신 신뢰성을 증가시키는 방법에는 첫째 다이버시티기법, 둘째 통신용량을 증대시키는 공간다중화 기법이 있다. 이 중에서 trade-off 하여 적당한 기술을 찾는 것이 문제점이다.

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