본 논문에서는 다중사용자 Massive MIMO 시스템 환경에서 계산 복잡도와 성능의 균형을 고려한 효율적인 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. Massive MIMO 시스템은 차세대 5G 이동 통신의 목표 성능을 달성하기 위한 핵심 기술 중 하나로, 높은 주파수 효율과 신뢰성, 다중화 이득 등을 얻을 수 있다. 하지만 기지국에 장착되는 대규모 송신 안테나들과 RF chain은 높은 하드웨어 비용과 복잡도, 높은 소비 전력 등의 문제를 야기한다. 따라서 본 논문에서는 기지국의 RF chain의 수를 줄이는데 효과적인 송신 안테나 선택기법을 연구하고, 기존의 기법에서 성능과 복잡도의 균형을 고려한 새로운 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. 또한 주파수 효율분석과 함께 최적의 안테나를 찾는데 필요한 탐색 수 분석을 통해 각 송신 안테나 기법 별 성능과 복잡도를 나타낸다.
본 논문에서는 다중사용자 Massive MIMO 시스템 환경에서 계산 복잡도와 성능의 균형을 고려한 효율적인 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. Massive MIMO 시스템은 차세대 5G 이동 통신의 목표 성능을 달성하기 위한 핵심 기술 중 하나로, 높은 주파수 효율과 신뢰성, 다중화 이득 등을 얻을 수 있다. 하지만 기지국에 장착되는 대규모 송신 안테나들과 RF chain은 높은 하드웨어 비용과 복잡도, 높은 소비 전력 등의 문제를 야기한다. 따라서 본 논문에서는 기지국의 RF chain의 수를 줄이는데 효과적인 송신 안테나 선택기법을 연구하고, 기존의 기법에서 성능과 복잡도의 균형을 고려한 새로운 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. 또한 주파수 효율분석과 함께 최적의 안테나를 찾는데 필요한 탐색 수 분석을 통해 각 송신 안테나 기법 별 성능과 복잡도를 나타낸다.
This paper proposes the efficient transmit antenna selection (TAS) scheme considering trade-off between the performance and the complexity in massive MIMO system. The massive MIMO system is a core technology to achieve performance objectives for 5 generation wireless communication. It achieve high s...
This paper proposes the efficient transmit antenna selection (TAS) scheme considering trade-off between the performance and the complexity in massive MIMO system. The massive MIMO system is a core technology to achieve performance objectives for 5 generation wireless communication. It achieve high spectral efficiency, a reliability, and a diversity gain. However many RF chains required by massive transmit antennas equipped in a base station create the problem such as high hardware cost and complexity. Therefor we investigates the transmit antenna selection scheme, in which the number of RF chains of BS is reduced, and the trade-off between the performance and the complexity is considered for proposed scheme. And, the spectral efficiency and complexity are analysed by transmit antenna selection schemes.
This paper proposes the efficient transmit antenna selection (TAS) scheme considering trade-off between the performance and the complexity in massive MIMO system. The massive MIMO system is a core technology to achieve performance objectives for 5 generation wireless communication. It achieve high spectral efficiency, a reliability, and a diversity gain. However many RF chains required by massive transmit antennas equipped in a base station create the problem such as high hardware cost and complexity. Therefor we investigates the transmit antenna selection scheme, in which the number of RF chains of BS is reduced, and the trade-off between the performance and the complexity is considered for proposed scheme. And, the spectral efficiency and complexity are analysed by transmit antenna selection schemes.
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문제 정의
본 논문에서는 성능과 복잡도의 균형을 고려한 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 전체 송신 안테나 중 선택 안테나 개수에 따라 조합되는 부 집합 후보군을 도출하는 단계와 도출된 부 집합들 중 최적의 부 집합을 선택하는 단계로 구성된다.
본 논문은 계산 복잡도와 성능의 균형을 고려한 효율적인 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 기존 낮은 복잡도를 갖는 기법을 사용하여 선택 안테나 부 집합의 후보군을 조합하고, 이 후보군 중 가장 최적의 성능을 갖는 하나의 부 집합을 선택한다.
본 논문은 다중 사용자와 통신하는 Massive MIMO 시스템에서 성능과 복잡도의 균형을 고려하여 최적의 안테나 집합을 선택할 수 있는 효율적인 송신 안테나 선택 기법을 제안하였다. 제안한 송신 안테나 선택 기법과 기존의 기법의 성능을 주파수 효율 분석을 통해 비교하였다.
송신 안테나 선택 기법은 기지국에 장착된 모든 안테나를 사용하는 대신에 최적의 안테나 집합만을 사용하여 최적의 성능을 달성하는 것을 목적으로 한다. 대표적인 송신 안테나 선택 기법으로는 전체 안테나 중 선택할 개수의 안테나로 조합되는 모든 가능한 안테나 부 집합 중 최적의 부 집합을 선택하는 Exhaustive search 방식이 있다 [6].
가설 설정
#은 n번째 송신 안테나와 K명의 사용자 사이의 K× 1의 채널 벡터를 나타낸다. H 의 각 원소들은 독립적이고, 평균이 0이고, 분산이 #인 복소 정규 분포를 따른다고 가정한다. 또한 사용자는 채널 행렬 H를 완벽하게 알고 있고 오차와 시간 지연 없이 피드백을 통해 기지국에 전송한다고 고려한다.
기지국은 독립된 데이터 스트림을 K명의 사용자에게 동시에 전송하며, 이때 기지국은 L개의 RF chain을 가지고 N≥L≥K를 만족한다. 본 논문에서는 기지국의 RF chain 수와 사용자의 수가 동일한 것으로 고려한다 (L=K). 또한 선형 프리코딩 기법 중 유저 간 간섭의 영향을 감소시키는 것에 효과적인 ZF에 의해 빔포밍되는 하향링크 MIMO 시스템을 고려하였다.
제안 방법
그림 4는 사용자(K)가 10명이고 RF chain의 수(K)가 10개 일 때, 기지국의 안테나 수(N) 증가에 따른 주파수 효율을 나타낸다. SNR이 0, 10 dB 인 환경에 대해 각각 분석하였다. SNR이 0 dB 일 때, 기존 CBRCS, NBS에 비해 제안한 기법의 주파수 효율은 약 2~3 bps/Hz 높은 결과를 보였다.
본 논문에서는 기지국의 RF chain 수와 사용자의 수가 동일한 것으로 고려한다 (L=K). 또한 선형 프리코딩 기법 중 유저 간 간섭의 영향을 감소시키는 것에 효과적인 ZF에 의해 빔포밍되는 하향링크 MIMO 시스템을 고려하였다. 다중 사용자 massive MIMO 시스템에서 사용자들에게 수신되는 신호는 다음과 같이 표현할 수 있다.
제안한 송신 안테나 선택 기법과 기존의 기법의 성능을 주파수 효율 분석을 통해 비교하였다. 또한 최적의 안테나를 선택하기까지 요구되는 탐색 수와 소요시간을 분석하였다. 시뮬레이션 결과는 제안한 기법이 최적의 기법인 ES-SBS에 가장 근접한 주파수 효율을 보였고, 특히 낮은 SNR에서 효과적인 성능을 달성하는 것을 보여준다.
마지막으로 기존의 송신 안테나 선택 기법과 제안한 기법 간 복잡도를 비교하기 위해, 각 기법 별로 최적의 송신 안테나를 찾기 위해 요구되는 전체 탐색 수와 탐색이 완료하기까지 소요되는 시간을 분석한다. 표 1은 N=32, K=4, L=4인 Massive MIMO 시스템에서 송신 안테나 선택 기법 별 요구 되는 탐색 수를 나타낸다.
제안하는 기법은 전체 송신 안테나 중 선택 안테나 개수에 따라 조합되는 부 집합 후보군을 도출하는 단계와 도출된 부 집합들 중 최적의 부 집합을 선택하는 단계로 구성된다. 먼저, 본 논문에서는 전체 채널 행렬에 대해 앞서 III장에서 설명한 Greedy search 방식을 기반으로 채널 용량을 계산하여 재 정렬한다. 우선 식 (10)-(13)와 같은 방식으로 P1부터 PN까지 안테나 인덱스를 도출하고, 인덱스에 따라 전체 행렬 H를 식 (14)와 같이 재정렬한다.
본 논문에서는 그림 1과 같이 N개의 송신 안테나를 가지는 하나의 기지국과 단일 수신 안테나를 가지는 K명의 사용자가 존재하는 다중 사용자 Massive MIMO 시스템을 고려한다. 기지국은 독립된 데이터 스트림을 K명의 사용자에게 동시에 전송하며, 이때 기지국은 L개의 RF chain을 가지고 N≥L≥K를 만족한다.
이번 장에서는 시뮬레이션을 통해 기존의 송신 안테나 선택 기법과 제안하는 기법의 성능 및 복잡도를 비교한다. 본 논문에서는 성능의 비교를 위해 III장에서 설명한 ES-SBS 와 CBRCS 외에 전체 채널 행렬에서 송신 안테나의 채널 정보에 해당하는 열벡터에 대해 norm 값을 계산하는 방식의 NBS (Norm based selection), 그리고 안테나 선택 기법을 적용하지 않고 N=L인 MIMO 시스템(No selection)의 성능을 제시한다. 각 송신 안테나 선택 기법 별 성능은 식 (21)에 의해 계산되는 주파수 효율을 통해 나타내었다.
사용자들은 채널 정보를 기반으로 안테나 선택 기법을 사용 하여 N개의 전체 송신 안테나 중 최적의 안테나 L개를 선택하고, L개 안테나의 인덱스를 기지국으로 귀환 채널을 통해 전송한다. 본 논문에서는 송신 안테나 선택 기법들의 연산 방식에 따라 Exhaustive search, Greedy search 방식으로 구분하였다.
이번 장에서는 기존의 송신 안테나 선택 기법을 조사한다. 사용자들은 채널 정보를 기반으로 안테나 선택 기법을 사용 하여 N개의 전체 송신 안테나 중 최적의 안테나 L개를 선택하고, L개 안테나의 인덱스를 기지국으로 귀환 채널을 통해 전송한다. 본 논문에서는 송신 안테나 선택 기법들의 연산 방식에 따라 Exhaustive search, Greedy search 방식으로 구분하였다.
이번 장에서는 시뮬레이션을 통해 기존의 송신 안테나 선택 기법과 제안하는 기법의 성능 및 복잡도를 비교한다. 본 논문에서는 성능의 비교를 위해 III장에서 설명한 ES-SBS 와 CBRCS 외에 전체 채널 행렬에서 송신 안테나의 채널 정보에 해당하는 열벡터에 대해 norm 값을 계산하는 방식의 NBS (Norm based selection), 그리고 안테나 선택 기법을 적용하지 않고 N=L인 MIMO 시스템(No selection)의 성능을 제시한다.
본 논문은 계산 복잡도와 성능의 균형을 고려한 효율적인 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 기존 낮은 복잡도를 갖는 기법을 사용하여 선택 안테나 부 집합의 후보군을 조합하고, 이 후보군 중 가장 최적의 성능을 갖는 하나의 부 집합을 선택한다. 본 논문의 다음의 구성을 따른다.
본 논문에서는 성능과 복잡도의 균형을 고려한 송신 안테나 선택 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 전체 송신 안테나 중 선택 안테나 개수에 따라 조합되는 부 집합 후보군을 도출하는 단계와 도출된 부 집합들 중 최적의 부 집합을 선택하는 단계로 구성된다. 먼저, 본 논문에서는 전체 채널 행렬에 대해 앞서 III장에서 설명한 Greedy search 방식을 기반으로 채널 용량을 계산하여 재 정렬한다.
데이터처리
본 논문은 다중 사용자와 통신하는 Massive MIMO 시스템에서 성능과 복잡도의 균형을 고려하여 최적의 안테나 집합을 선택할 수 있는 효율적인 송신 안테나 선택 기법을 제안하였다. 제안한 송신 안테나 선택 기법과 기존의 기법의 성능을 주파수 효율 분석을 통해 비교하였다. 또한 최적의 안테나를 선택하기까지 요구되는 탐색 수와 소요시간을 분석하였다.
이론/모형
Greedy search는 Exhaustive search에 비해 근사적인 방식으로, K× L의 최적의 부 집합을 도출하기 위해 단계적으로 한 개씩 최적의 안테나를 선택한다. 본 논문에서는 최적의 안테나를 선택하기 위해 채널 용량을 계산하는 방식을 사용하는 CBRCS (Capacity based reduced complexity selection) 를 다룬다 [9], [10].
성능/효과
9 bps/Hz의 주파수 효율을 보였다. CBRCS와 NBS에 비해 각각 0.7 bps/Hz, 15.4 bps/Hz 향상되었으며, 안테나 선택 기법을 사용하지 않고 RF chain을 10개 사용한 No selection과는 18 bps/Hz의 주파수 효율 차이를 보였다. 전체적인 결과에서 제안하는 기법은 SNR이 낮을 때 보다 더 효과적인 결과를 도출하는 것으로 나타났다.
각 기법에서 요구하는 탐색 수와 계산 방법에 따라, 최적의 안테나를 찾기까지 소요되는 시간은 그림 5에 나타내었다. ES-SBS가 약 1.95초의 시간이 필요했으며, NBS는 약 0.053초, CBRCS는 0.056초의 시간을 필요로 하였다. 마지막으로 제안하는 기법은 0.
그림 2는 기지국의 안테나 수(N)가 32개이고, 사용자(K)가 4명, RF chain의 수(L)가 4개인 Massive MIMO 시스템 환경에서 SNR에 따른 전체 사용자에 대한 주파수 효율을 나타낸다. SNR 10 dB를 기준으로, ES-SBS 기법이 14.7 bps/Hz의 가장 높은 주파수 효율을 보였다. 제안한 기법은 14.
SNR이 0, 10 dB 인 환경에 대해 각각 분석하였다. SNR이 0 dB 일 때, 기존 CBRCS, NBS에 비해 제안한 기법의 주파수 효율은 약 2~3 bps/Hz 높은 결과를 보였다. SNR 이 10 dB 인 경우에는 NBS와 10 bps/Hz 이상 크게 차이 나는 주파수 효율을 보였다.
056초의 시간을 필요로 하였다. 마지막으로 제안하는 기법은 0.06초의 시간이 소요되었다.
시뮬레이션 결과는 제안한 기법이 최적의 기법인 ES-SBS에 가장 근접한 주파수 효율을 보였고, 특히 낮은 SNR에서 효과적인 성능을 달성하는 것을 보여준다. 복잡도 측면에서 볼 때, 제안하는 기법에 대해 요구되는 탐색 수와 소요시간은 기존의 CBRCS와 NBS에 비해 다소 증가하였지만, ES-SBS에 비해서는 크게 감소한 결과를 보였다.
또한 최적의 안테나를 선택하기까지 요구되는 탐색 수와 소요시간을 분석하였다. 시뮬레이션 결과는 제안한 기법이 최적의 기법인 ES-SBS에 가장 근접한 주파수 효율을 보였고, 특히 낮은 SNR에서 효과적인 성능을 달성하는 것을 보여준다. 복잡도 측면에서 볼 때, 제안하는 기법에 대해 요구되는 탐색 수와 소요시간은 기존의 CBRCS와 NBS에 비해 다소 증가하였지만, ES-SBS에 비해서는 크게 감소한 결과를 보였다.
4 bps/Hz 향상되었으며, 안테나 선택 기법을 사용하지 않고 RF chain을 10개 사용한 No selection과는 18 bps/Hz의 주파수 효율 차이를 보였다. 전체적인 결과에서 제안하는 기법은 SNR이 낮을 때 보다 더 효과적인 결과를 도출하는 것으로 나타났다.
4 bps/Hz의 주파수 효율을 보였다. 제안한 기법과 비교하면, 동일한 수의 RF chain을 사용함에도 약 7.9 bps/Hz의 주파수 효율 차이를 보였다. 그림 3은 기지국의 안테나 수(N)를 64개로 증가 시킨 Massive MIMO 시스템의 환경에서의 주파수 효율을 분석한 결과이다.
7 bps/Hz의 가장 높은 주파수 효율을 보였다. 제안한 기법은 14.3 bps/Hz, CBRCS는 14.1 bps/Hz, 마지막으로 NBS는 8.9 bps/Hz의 주파수 효율로, 제안한 기법은 CBRCS보다 최적의 기법인 ES-SBS 기법의 성능에 근접한 주파수 효율을 보였다. 또한 안테나 선택 기법을 적용하지 않은 No selection의 경우 6.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다중사용자 Massive MIMO 시스템은 무엇인가?
다중사용자 Massive MIMO 시스템은 기지국에서 수십 개에서 수백 개의 안테나를 사용하여 다수의 사용자와 동시에 통신할 수 있는 시스템으로, 차세대 5G 이동 통신을 위한 핵심 기술 중 하나다 [1],[2]. Massive MIMO 시스템은 대규모의 안테나를 기지국에 장착함으로써 채널의 독립성 및 대수의 법칙의 성질에 의해 MRT(Maximum Ratio Transmission) 와 ZF(Zero Forcing), MMSE(Minimum Mean Squared Error)와 같은 간단한 정합 필터 및 선형 프리코딩 기법으로 사용자 간 간섭과 안테나 잡음 등을 제거할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
송신 안테나 선택 기법의 목적은?
송신 안테나 선택 기법은 기지국에 장착된 모든 안테나를 사용하는 대신에 최적의 안테나 집합만을 사용하여 최적의 성능을 달성하는 것을 목적으로 한다. 대표적인 송신 안테나 선택 기법으로는 전체 안테나 중 선택할 개수의 안테나로 조합되는 모든 가능한 안테나 부 집합 중 최적의 부 집합을 선택하는 Exhaustive search 방식이 있다 [6].
Massive MIMO 시스템의 단점은?
Massive MIMO 시스템은 차세대 5G 이동 통신의 목표 성능을 달성하기 위한 핵심 기술 중 하나로, 높은 주파수 효율과 신뢰성, 다중화 이득 등을 얻을 수 있다. 하지만 기지국에 장착되는 대규모 송신 안테나들과 RF chain은 높은 하드웨어 비용과 복잡도, 높은 소비 전력 등의 문제를 야기한다. 따라서 본 논문에서는 기지국의 RF chain의 수를 줄이는데 효과적인 송신 안테나 선택기법을 연구하고, 기존의 기법에서 성능과 복잡도의 균형을 고려한 새로운 송신 안테나 선택 기법을 제안한다.
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