[논문]M-PSK 성운을 이용한 적응형 차분 동 이득 전송 기술

김영주; 서창원

doi:10.5573/ieie.2016.53.3.021

M-PSK 성운을 이용한 적응형 차분 동 이득 전송 기술
An Adaptive Differential Equal Gain Transmission Technique using M-PSK Constellations 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.3, 2016년, pp.21 - 28

김영주 (충북대학교 정보통신공학과) , 서창원 (충북대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

시간 상관 채널에 대한 차분 코드북의 적응형 기법을 제안한다. 제안하는 코드북의 코드워드 인자들은 M의 값이 8, 16 또는 32인 M-PSK 성운의 여러 집합 중에서 선택된다. 본 논문에서는 먼저 코드북의 최적의 구면 캡 반경을 어떻게 추적하는지 수학적으로 분석하고 적응형 기법의 구현 방법에 대해 설명한다. 본 논문의 차분 코드북들은 무선 채널 시간 상관 계수에 의해 적응적으로 선택되므로 항상 채널 상태에 따르는 최적의 코드북을 이용하여 송수신을 한다. Monte-Carlo 시뮬레이션은 제안하는 코드북의 성능이 같은 양의 피드백 정보를 가진 M-PSK 성운을 이용하는 비적응형 코드북보다 항상 우수함을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose an adaptive scheme of a differential codebook for temporally correlated channels. And the codeword entries of the propose codebook are selected among the set of M-PSK constellations - the values of M proposed in this paper are 8, 16, or 32. Firstly, we analyze mathematically how the optimal spherical cap radius of the proposed codebook is tracked. Then, we explain the practical implementation of the proposed adaptive method. Practically, some candidate differential codebooks we propose in this paper can be switched according to the temporal correlation coefficients of wireless channels in the proposed scheme. Monte-Carlo simulations demonstrate that the achievable throughput performance employing the proposed codebook is always superior to those of the differential codebooks employing M-PSK constellations and non-adaptive differential codebooks with the same amount of feedback information.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한, ^[20]에서는 M-PSK를 이용한 새로운 차분 코드북을 제안했다. 본 논문에서는 각 시점에서의 시간 상관 계수에 따라 적응적으로 M-PSK 차분 코드북을 전환하는 적응형 기법을 제안한 다. 또한, 본 논문의 주요 이슈 중 하나인 시간 상관 채널에서 주어진 선택된 이전 및 현재의 최적의 인덱스를 사용하는 위상 편이 추적 기능에 대하여 설명한다.
본 논문에서는 느리게 변하는 MIMO 채널에서 M-PSK 성운을 가지는 적응형 차분 코드북을 제안하였다. 이후의 시간 스텝에서의 위상을 이용하는 채널 추적 능력을 조사하였는데, 이는 위상 변화 범위의 상한을 결정하여 적응적으로 변화시킬 수 있다.

가설 설정

Hk의 모든 인자는 동일한 시간 상관 계수 ε 값을 갖는다고 가정한다.
시간 상관 채널을 통해 몇 가지 명확히 정의된 차분 코드북이 ^[12～16]에서 제안되었다.^[12]에서 연속된 MIMO 채널은 차분 선부호기가 준 대각 행렬이 되도록 매우 느리게 변화한다고 가정한다.^[13]에서 차분 회전 피드백 기술은 구면 캡 반경 최적화 및 Procrustes 또는 Gram-Schmidt 직교화 기법의 적용이 소개됨으로써 제안 및 분석되었다.
또한, 채널 추정 및 동기화는 완벽하며 공간 상관은 없고 송·수신 안테나 간에 피드백 지연이 없다고 가정한다.
Monte-Carlo 시뮬레이션은 제안하는 적응형 기법의 용량 성능을 보여주고, 느리게 변하는 채널에서 LTE 코드북의 성능을 비교하기 위해 실시하였다. 송신 안테나 수 M_t는 4, 수신 안테나 수 M_r은 1 혹은 2인 안테나 시스템을 가정한다. 시뮬레이션은 150만 회 이상 반복 실시하였다.
랜덤 코드북은 피드백 비트의 수와 송신 안테나의 증가를 점진적으로 최적화함을 보인다. 이러한 연구는 독립적인 블록 단위 페이딩 채널을 가정한다. 느리게 변하는 채널에서 시간 상관 채널 모델은 현재 채널 구현보다 이전 채널의 구현에 의존적이며 실제 채널에 보다 밀접한 모델이다.
를 갖는 평균이 0이고 분산이 1인 혁신 프로세스이다. 잡음 성분인 n_k는 G_k와 H₀에 독립이며, 초기 상태 H₀ 또한 모든 시간 인덱스 k에 대해 G_k+1와 독립인 것으로 가정한다. 시간 상관 계수인 ε(≤ε≤1)는 인접한 채널 정보 H_k-1와 H_k 사이의 상관성을 나타낸다.
채널 추정 알고리즘에 의해 수신기가 현재의 CSI를 완벽히 알고 있다고 가정한다.
이때, J₀(⋅)는 0차 베셀 함수, T는 시간 스텝 주기 그리고 f_D = vf_c/c는 단말기 속도 v, 반송 주파수 f_c, 그리고 c=3X10^Sm/s 로 계산되는 최대 도플러 주파수이다. 피드백 간격은 5ms, 반송 주파수는 2.5GHz 그리고 UE의 속도는 1km/h 및 7km/h로 가정한다. 시간 스텝 k=0에서는 LTE 코드북의 코드워드를 선택한다.
시간 스텝 k=0에서는 LTE 코드북의 코드워드를 선택한다. 피드백 채널은 오차가 없는 것으로 가정한다. 또한, 채널 추정 및 동기화는 완벽하며 공간 상관은 없고 송·수신 안테나 간에 피드백 지연이 없다고 가정한다.

제안 방법

Monte-Carlo 시뮬레이션은 제안하는 적응형 기법의 용량 성능을 보여주고, 느리게 변하는 채널에서 LTE 코드북의 성능을 비교하기 위해 실시하였다. 송신 안테나 수 M_t는 4, 수신 안테나 수 M_r은 1 혹은 2인 안테나 시스템을 가정한다.
M_t개의 송신 및 M_r개의 수신 안테나를 가진 제한된 피드백 MIMO 시스템을 고려한다. s_k는 송신 신호다.
. 시스템의 성능을 향상시키기 위하여, 각 시간스텝의 후보 코드북 중에서 가장 적합한 코드북을 적응적으로 선택한다.

이론/모형

시뮬레이션은 150만 회 이상 반복 실시하였다. 제안하는 기법의 동작을 보장하기 위하여 시간 상관 채널의 변화는 1차 Gauss-Markov 프로세스로 모델링하였다. 채널 상관 계수 ε는 ε = J₀(2πf_DT)로 Jakes 모델을 따른다.
채널 상관 계수 ε는 ε = J0(2πfDT)로 Jakes 모델을 따른다.

성능/효과

M-PSK 성운에 대한 코드워드 엔트리의 제한은 안테나 당 동 이득 제약 특성 (또는 상수 모듈러스 특성)을 유지 가능하게 만든다. 그래서 제안하는 코드북의 사용은 사용자 단말 (user equipment, UE)의 복잡도를 줄이고, 첨두 대 평균 전력비 (peak-to-average power ratio, PAPR)의 불필요한 증가를 방지할 수 있다.
999)로 가정했을 때의 제안하는 적응형 기법, M-PSK 차분 코드북 그리고 LTE 코드북의 성능을 나타낸다. 그림 2에 서 초기 시간 스텝 범위에서는 8-PSK 차분 코드북의 수렴이 32-PSK 차분 코드북보다 약 0.04 bits/sec/Hz, 32-PSK 코드북은 수렴 범위에서 8-PSK 차분 코드북보다 성능이 약 0.037 bits/sec/Hz 더 뛰어나며, 제안하는 적응 기법은 항상 M-PSK 차분 코드북보다 뛰어난 성능을 보인다.
속도가 감소함에 따라 약 UE 속도 2km/h 이하가 되는 시간 스텝부터 32-PSK 차분 코드북은 8-PSK 차분 코드북보다 더 나은 성능을 보인다. 시뮬레이션 결과로부터 제안하는 기법은 성운 수가 8 또는 32로 고정된 M-PSK 차분 코드북보다 항상 더 나은 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
이후의 시간 스텝에서의 위상을 이용하는 채널 추적 능력을 조사하였는데, 이는 위상 변화 범위의 상한을 결정하여 적응적으로 변화시킬 수 있다. 시뮬레이션 결과로부터 제안하는 기법은 피드백 정보의 양이 정확히 동일할 때, 항상 다른 후보 코드북보다 뛰어난 적절한 코드북을 선택하였다.
시간 상관의 값이 감소했기 때문에, 수렴 범위에서 8-PSK 차분 코드북은 32-PSK 차분 코드북보다 뛰어난 성능을 보인다. 제안하는 적응형 기법은 8-PSK 차분 코드북과 동일하며 32-PSK 차분 코드북 및 LTE 코드북보다 항상 더 좋은 성능을 보인다. 그림 4와 그림 5는 M_t는 4 및 M_r는 2로 가정하며, 다른 파라미터는 그림 2 및 그림 3과 동일하며, 시뮬레이션 또한 같은 결과를 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MIMO 기술에는 어떤 기법들이 있는가?	16m 등의 최신 무선 액세스 네트워크에 적용되고 있다[1～2]. MIMO 기술은 공간 분할 다중화 (spatial division multiplexing, SDM), 송신 다이버시티 (transmit diversity, TD) 및 선부호화 기법 등으로 분류된다[3]. 또한, MIMO 기술은 개루프 (open-loop) MIMO와 폐루프(closed-loop) MIMO로 분류할 수 있다.
	차분 코드북을 이용하여 코드북을 설계 시 채널 용량이 증가하는 효과를 가지는 이유는 무엇인가?	차분 코드북은 무선 채널의 시간 상관 특성에 의해 선부호화 행렬 내 양자화 된 채널 정보도 천천히 변화하도록 코드북을 설계한다. 이는 시간 상관 특성에 따른 채널 공간 내 일부분만을 양자화하여 피드백하기 때문에 기존과 동일한 크기의 코드북을 구성해도 가상적으로 보다 정확한 채널정보를 양자화 할 수 있어 채널 용량이 증가하는 효과를 갖는다. 시간 상관 채널을 통해 몇 가지 명확히 정의된 차분 코드북이 [12～16]에서 제안되었다.
	폐루프 MIMO 시스템은 어떤 데이터들을 제공하는가?	또한, MIMO 기술은 개루프 (open-loop) MIMO와 폐루프(closed-loop) MIMO로 분류할 수 있다. 폐루프 MIMO 시스템은 송신부에서 채널 상태 정보 (channel state information, CSI)를 이용 가능할 때 공간 다이버시티, 시간 다이버시티 및 배열 (array) 이득을 제공한다[4～6]. 폐루프 시스템의 선부호화 방식은 개루프 시스템보다 뛰어난 처리 성능을 보인다.

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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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