KR20100130312A - Apparatus and method for transmitting linearly in distributed mimo system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분산 MIMO 시스템에서 하향링크 전송 시, 다중 사용자에 대한 전체 전송 용량을 증대시키기 위한 전송 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 지리적으로 분산 배치된 기지국 각각에 대한 독립적인 최대 전력 제약 조건을 고려하여, 최소평균제곱오차(Minumum Mean Square Error : MMSE) 조건에 따라 최적화된 선형적인 다중 사용자 신호를 전송함으로써, 이론적인 성능의 상한으로 알려진 최적의 비선형 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : DPC)의 성능에 근접하는 전송 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a transmission apparatus and method for increasing the total transmission capacity for multiple users in downlink transmission in a distributed MIMO system, in particular, considering the independent maximum power constraints for each geographically distributed base station By transmitting a linear multi-user signal optimized according to the minimum mean square error (MMSE) condition, the performance of optimal non-linear dirty paper coding (DPC), known as the upper limit of theoretical performance, The present invention relates to a transmitting device and a method in proximity.
최근 고속 및 고품질의 데이터 전송에 대한 요구가 증대됨에 따라, 이를 만족시키기 위한 기술 중의 하나로 다수의 송수신 안테나들을 사용하는 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : 이하 'MIMO'라 칭함) 기술이 크게 주목되고 있다. 상기 MIMO 기술은 다수의 안테나들로 인한 다수의 채널들을 이용하여 통신을 수행함으로써, 단일 안테나를 사용하는 경우보다 최대 전송 용량을 크게 개선시킬 수 있는 기술이다. Recently, as the demand for high-speed and high-quality data transmission has increased, a multiple input multiple output (MIMO) technique using a plurality of transmit / receive antennas is one of the techniques for satisfying this. . The MIMO technology is a technology that can greatly improve the maximum transmission capacity than when using a single antenna by performing communication using a plurality of channels due to a plurality of antennas.
상기 MIMO 기술이 적용된 시스템 중, 분산 배치된 유닛(Unit)들을 활용하는 분산 MIMO 시스템은, 지리적으로 분산 배치된 다수의 유닛들이 유선 또는 전용 회선으로 연결되어 단말의 정보를 공유하며 모두 같은 주파수 대역을 사용하여 데이터를 전송하는 시스템을 말한다. 여기서, 상기 유닛은 기지국(Base station), 중계국(Relay station), 분리되어 있는 증폭기(Amplifier) 중 하나가 될 수 있으며, 이하 설명에서는 기지국을 예로 들어 설명하기로 한다. Among the systems to which the MIMO technology is applied, a distributed MIMO system utilizing distributed units is a plurality of geographically distributed units connected by wire or dedicated line to share information of a terminal and all share the same frequency band. Refers to a system for transferring data. Here, the unit may be one of a base station, a relay station, and a separate amplifier. Hereinafter, the base station will be described as an example.
상기 분산 MIMO 시스템의 하향링크 전송 시 가능한 전송 방식으로, 주어진 전송 구간 동안 하나의 기지국이 하나의 단말에 대해 신호를 전송하는 단일 안테나 전송(Single-Antenna Transmission : 이하 'SAT'라 칭함) 방식과, 다수의 기지국이 다수의 단말에 대해 동시에 신호를 전송하는 방식이 모두 가능하다. 이때, 후자의 방식에 대한 최대 전송 용량의 계산은 그 과정이 복잡하고, 단말별 전송 신호의 전력 제어(Power Control)를 포함하는 일련의 최적화 과정이 필요하다. As a transmission scheme available for downlink transmission of the distributed MIMO system, a single antenna transmission (Single-Antenna Transmission: 'SAT') scheme in which one base station transmits a signal to one terminal during a given transmission interval; A plurality of base stations are all capable of transmitting signals simultaneously to a plurality of terminals. At this time, the calculation of the maximum transmission capacity for the latter method is complicated and requires a series of optimization processes including power control of transmission signals for each terminal.
상기 분산 MIMO 시스템이 기존의 집중형 MIMO 시스템과 차별되는 가장 큰 특징은, 상기 집중형 MIMO 시스템의 경우 하나의 기지국에 다수의 송신 안테나가 존재하고 다수의 단말이 모두 기지국으로부터 평균적으로 같은 거리만큼 떨어져 있다고 가정함으로써 각 단말이 수신하는 평균 수신 전력 및 평균 간섭 전력이 모두 동일한 반면, 상기 분산 MIMO 시스템의 경우 지리적으로 분산된 기지국으로부터 셀 내에 자유롭게 배치된 단말들에 대한 평균 수신 전력 및 평균 간섭 전력이 모두 다 르다는 점이다. 이는 기존의 집중형 MIMO 시스템의 구조 하에서 유도된 이론적인 전송 용량이 분산 MIMO 시스템의 구조에 그대로 적용될 수 없고 부분적인 변형 또는 다른 접근 방법으로 유도되어야 함을 의미한다. The most distinguishing feature of the distributed MIMO system from the conventional centralized MIMO system is that, in the centralized MIMO system, a plurality of transmitting antennas exist in one base station and a plurality of terminals are all separated by the same distance from the base station. In the distributed MIMO system, both the average received power and the average interference power for the terminals freely disposed in the cell are distributed from the geographically dispersed base station. It is different. This means that the theoretical transmission capacity derived under the structure of the existing centralized MIMO system cannot be applied to the structure of the distributed MIMO system as it is, but must be derived by partial modification or another approach.
상기 분산 MIMO 시스템의 또 다른 큰 특징은, 각 기지국마다 고유의 최대 전송 가능 전력 제약 조건이 있다는 것이다. 기존의 집중형 MIMO 시스템에서는 송신 안테나마다 전송하는 평균 신호 전력의 합산값이 전체 전력 
상기 언급된 두 가지 주요 특성을 모두 반영하여 분산 MIMO 시스템의 최대 전송 용량을 분석하고 제시한 연구 결과는 현재까지 존재하지 않는다. 따라서, 기지국마다 적용되는 PAPC 조건 및 단말마다 상이한 간섭 전력이 존재하는 셀룰러 시스템에서, 다중 사용자에 대한 전체 전송 용량을 증대시킬 수 있는 전송 방안의 제시가 필요하다.There is no research result that analyzes and presents the maximum transmission capacity of the distributed MIMO system reflecting both the above mentioned main characteristics. Therefore, in a cellular system in which different interference powers exist for each terminal and PAPC condition applied to each base station, it is necessary to present a transmission scheme capable of increasing the total transmission capacity for multiple users.
본 발명의 목적은 분산 MIMO 시스템에서 최적의 선형적 전송 장치 및 방법을 제공함에 있다. An object of the present invention is to provide an optimal linear transmission apparatus and method in a distributed MIMO system.
본 발명의 다른 목적은 분산 MIMO 시스템에서 하향링크 전송 시, 다중 사용자에 대한 전체 전송 용량을 증대시키기 위한 전송 장치 및 방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide a transmission apparatus and method for increasing overall transmission capacity for multiple users in downlink transmission in a distributed MIMO system.
본 발명의 다른 목적은 지리적으로 분산 배치된 기지국 각각에 대한 독립적인 최대 전력 제약 조건을 고려하여, 최소평균제곱오차(Minumum Mean Square Error : MMSE) 조건에 따라 최적화된 선형적인 다중 사용자 신호를 전송함으로써, 이론적인 성능의 상한으로 알려진 최적의 비선형 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : DPC)의 성능에 근접하는 전송 장치 및 방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is to transmit a linear multi-user signal optimized according to a minimum mean square error (MMSE) condition in consideration of independent maximum power constraints for each geographically distributed base station. In addition, the present invention provides a transmission apparatus and method that approximates the performance of optimal nonlinear dirty paper coding (DPC), which is known as an upper limit of theoretical performance.
본 발명의 다른 목적은 분산 MIMO 시스템에서 하향링크 전송 시, MMSE 조건식을 PAPC 및 사용자마다 다른 간섭 전력이 있는 환경에서 유도하고 이를 송신 선처리 행렬로 사용하는 첫 번째 단계 및, 추가로 사용자마다 전력 제어 변수를 두어 이에 대한 최적화를 수행하여 최대 전송 용량을 계산하는 두 번째 단계로 구분되는, MMSE 기반의 2단계 전송 방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is a first step of deriving an MMSE conditional expression in a PAPC and an environment having different interference power for each user in downlink transmission in a distributed MIMO system, and using it as a transmission preprocessing matrix, and in addition, a power control variable for each user. In the present invention, the MMSE-based two-stage transmission method is divided into a second step of calculating the maximum transmission capacity by performing optimization thereof.
본 발명의 다른 목적은 분산 MIMO 시스템에서 하향링크 전송 시, 최적화 문제에 대한 전력 제어 방안으로 시뮬레이티드 어넬링(Simulated Annealing : SA) 알고리듬을 사용하는 방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide a method of using a simulated annealing (SA) algorithm as a power control method for an optimization problem in downlink transmission in a distributed MIMO system.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 MIMO 시스템에서 기지국의 데이터 전송을 위한 방법은, 채널 정보와 사용자별 간섭 전력을 고려하여 MMSE(Minumum Mean Square Error) 송신 선처리 행렬을 계산하는 과정과, 기지국 당 전력 제약 조건을 만족시키면서 전체 전송 용량을 최대화하는 전력 제어 변수를 계산하는 과정과, 상기 계산된 전력 제어 변수를 이용하여 송신할 데이터에 전력을 할당하는 과정과, 상기 계산된 MMSE 송신 선처리 행렬을 이용하여 상기 전력이 할당된 데이터에 대해 선처리를 수행하고, 상기 선처리된 송신 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention for achieving the above object, a method for transmitting data of a base station in a distributed MIMO system in which geographically distributed base stations are connected by wire or dedicated line, the channel information and the interference power for each user Calculating a minimum mean square error (MMSE) transmission preprocessing matrix, calculating a power control variable that maximizes total transmission capacity while satisfying power constraints per base station, and using the calculated power control variable Allocating power to data to be transmitted, and performing preprocessing on the data to which power is allocated by using the calculated MMSE transmission preprocessing matrix, and transmitting the preprocessed transmission data. .
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : MIMO) 시스템에서 기지국의 데이터 전송을 위한 장치는, 채널 정보와 사용자별 간섭 전력을 고려하여 MMSE(Minumum Mean Square Error) 송신 선처리 행렬을 계산하는 MMSE 송신 선처리 행렬 계산부와, 기지국 당 전력 제약 조건을 만족시키면서 전체 전송 용량을 최대화하는 전력 제어 변수를 계산하는 최적화 변수 결정부와, 상기 계산된 전력 제어 변수를 이용하여 송신할 데이터에 전력을 할당하는 전력 할당부와, 상기 계산된 MMSE 송신 선처리 행렬을 이용하여 상기 전력이 할당된 데이터에 대해 선처리를 수행하고, 상기 선처리된 송신 데이터를 전송하는 선처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the apparatus for transmitting data of the base station in a Multiple Input Multiple Output (MIMO) system in which geographically distributed base stations are connected by wire or dedicated line, A MMSE transmission preprocessing matrix calculator for calculating a minimum mean square error (MMSE) transmission preprocessing matrix in consideration of channel information and user-specific interference power, and a power control variable that maximizes overall transmission capacity while satisfying power constraints per base station. An optimization variable determining unit for calculating, a power allocating unit for allocating power to data to be transmitted using the calculated power control variable, and preprocessing the data to which the power is allocated using the calculated MMSE transmission preprocessing matrix. And a preprocessor for transmitting the preprocessed transmission data. It is gong.
상술한 바와 같이 본 발명은 분산 MIMO 시스템의 하향링크 다중 사용자 전송 시, MMSE 기반의 2단계 전송 방식을 적용함으로써, 기지국당 전력 제약 조건 하에서 저복잡도로 높은 전송 용량을 달성할 수 있는 이점이 있다. 즉, 높은 SINR에서는 ZF 필터 형태로, 낮은 SINR에서는 송신 정합 필터 형태로 채널 적응적이고 유일하게 결정되는 MMSE 송신 선처리 행렬을 바탕으로, 전송 방식의 복잡도와 성능 사이의 트레이드 오프(trade-off) 관계에 따라 적절한 수준의 추가적인 전력 제어 기법을 통해 전송 용량을 크게 증대시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 비선형의 더티페이퍼 코딩이 적용 가능한 경우 제안 방식에 이를 결합하여 전송 용량을 더욱 높일 수 있는 이점이 있다. As described above, the present invention has the advantage of achieving high transmission capacity at low complexity under power constraints per base station by applying a two-stage transmission scheme based on MMSE in downlink multi-user transmission of a distributed MIMO system. That is, based on the channel-adaptive and uniquely determined MMSE transmit preprocessing matrix in the form of a ZF filter at high SINR and a transmit matched filter at low SINR, the trade-off relationship between the complexity and the performance of the transmission scheme is determined. Therefore, there is an advantage that can significantly increase the transmission capacity through an appropriate level of additional power control technique. In addition, if nonlinear dirty paper coding is applicable, there is an advantage that the transmission capacity can be further increased by combining it with the proposed scheme.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하 본 발명은 분산 MIMO 시스템에서 하향링크 전송 시, 다중 사용자에 대한 전체 전송 용량을 증대시키기 위한 전송 장치 및 방법에 관해 설명한다. 특히, 본 발명은 지리적으로 분산 배치된 기지국 각각에 대한 독립적인 최대 전력 제약 조건을 고려하여, 최소평균제곱오차(Minumum Mean Square Error : 이하 'MMSE'라 칭함) 조건에 따라 최적화된 선형적인 다중 사용자 신호를 전송함으로써, 이론적인 성능의 상한으로 알려진 최적의 비선형 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : 이하 'DPC'라 칭함)의 성능에 근접하는 전송 장치 및 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with respect to a transmission apparatus and method for increasing overall transmission capacity for multiple users in downlink transmission in a distributed MIMO system. Particularly, the present invention is a linear multi-user optimized according to a minimum mean square error condition (hereinafter, referred to as 'MMSE') in consideration of independent maximum power constraints for each geographically distributed base station. By transmitting a signal, a description is given of a transmission apparatus and method that approximates the performance of optimal nonlinear dirty paper coding (hereinafter referred to as 'DPC'), which is known as the upper limit of theoretical performance.
이하 본 발명에 따른 분산 MIMO 시스템은 섹터로 분할된 분산 MIMO 시스템을 예로 들어 설명할 것이나, 섹터로 분할되지 않은 분산 MIMO 시스템에도 적용 가능하다. Hereinafter, the distributed MIMO system according to the present invention will be described using a distributed MIMO system divided into sectors as an example, but may be applied to a distributed MIMO system not divided into sectors.
도 1은 본 발명에 따른 섹터로 분할된 분산 MIMO 시스템을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a distributed MIMO system divided into sectors according to the present invention.
상기 도 1을 참조하면, 상기 분산 MIMO 시스템은, 지리적으로 분산 배치되어 적어도 하나의 단말(101, 102, 103)과 교신 가능한 적어도 하나의 기지국(111, 112, 113)과, 상기 기지국들(111, 112, 113)과 통신하는 적어도 하나의 단말(101, 102, 103)을 포함하여 구성된다. 여기서, 각 기지국(111, 112, 113)을 중심으로하는 육각형은, 해당 기지국(111, 112, 113)에서 독립적으로 신호 전송 시 전송 가능한 커버리지를 예시한 것이다. Referring to FIG. 1, the distributed MIMO system includes at least one
상기 기지국들(111, 112, 113)은, 서로 유선 또는 전용회선으로 연결되어 상기 단말들(101, 102, 103)의 정보를 공유하고, 모두 같은 주파수 대역(즉, 주파수 재사용 계수가 1)을 사용한다. 상기 기지국들(111, 112, 113)은 각각 세 개의 섹터 안테나를 가지며, 각 섹터 안테나가 해당 섹터 영역에서 독립적으로 신호 전송을 담당한다. 여기서, 각 기지국(111, 112, 113) 내 각 섹터 당 다수 개의 안테나가 설치될 수 있고, 단말들(101, 102, 103) 역시 다수 개의 안테나를 가질 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의상 하나의 섹터 당 하나의 안테나가 존재하는 것으로 설명하기로 한다. The
인접한 세 개의 기지국들(111, 112, 113)은, 서로 인접하고 있는 세 개의 섹터 영역 내의 단말들(101, 102, 103)에 대해 다중 사용자 협력적 전송을 하게 된다. 이때, 각 기지국(111, 112, 113)별로, 상기 서로 인접하고 있는 세 개의 섹터 영역에 대응하는 하나의 섹터 안테나가 상기 단말들(101, 102, 103)을 위한 다중 사용자 협력적 전송에 참여하게 된다. 마찬가지로, 각 기지국(111, 112, 113)별로, 상기 하나의 섹터 안테나를 제외한 나머지 두 개의 섹터 안테나 역시, 다른 방향으로 인접 기지국들과 협력적 전송을 하게 된다. 여기서, 각 단말(101, 102, 103)은 해당 섹터 영역 내에서 균등 분포로 랜덤하게 발생하며, 인접 섹터의 단말들(101, 102, 103)과 함께 주위의 여러 기지국들(111, 112, 113)로부터 다중 사용자 전송을 받게 된다.The three
한편, 기존의 TPC 하에서 하향링크 다중 사용자 전송의 최적 방식으로 알려진 DPC에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이론적인 성능의 상한으로 알려진 상기 DPC는 비선형 신호 처리 과정으로서, 실제 적용에는 구현이 적합지 않은 정도로 복잡도가 큰 방식이다. 이와 같은 구현 측면을 고려한 선형적인 다중 사용자 전송 방식 에는 영점 강제(Zero-Forcing : ZF) 빔형성 기법, MMSE 기반 전송 기법(또는 송신 위너(Wiener) 필터링) 등이 존재한다. 그 중 상기 MMSE 기반 전송 기법은 TPC 및 사용자마다 동일한 간섭 전력이 있는 환경하에서 최적의 선형적 전송 방식으로 알려져 있다. Meanwhile, a DPC known as an optimal method of downlink multi-user transmission under a conventional TPC is as follows. Known as the upper limit of theoretical performance, the DPC is a non-linear signal processing process, which is a complex method that is not suitable for practical application. Linear multi-user transmission schemes considering such implementations include zero-forcing (ZF) beamforming and MMSE-based transmission (or transmission Wiener filtering). Among them, the MMSE-based transmission scheme is known as an optimal linear transmission scheme in an environment in which TPC and user have the same interference power.
따라서 본 발명에서는 MMSE 조건식을 PAPC 및 사용자마다 다른 간섭 전력이 있는 환경에서 유도하고 이를 송신 선처리 행렬로 사용하는 첫 번째 단계 및, 추가로 사용자마다 전력 제어 변수를 두어 이에 대한 최적화를 수행하여 최대 전송 용량을 계산하는 두 번째 단계로 구분되는, MMSE 기반의 2단계 전송 방법을 제안하고 성능을 검증한다.Therefore, in the present invention, the first step of deriving the MMSE conditional expression from the PAPC and the environment with different interference power for each user and using it as a transmission preprocessing matrix, and additionally, sets the power control variable for each user to optimize the maximum transmission capacity. We propose a two-stage transmission method based on MMSE and verify the performance.
우선 최적의 DPC 성능을 산출하기 위해, 단일 송신안테나를 가지는 M 개의 기지국이 단일 수신안테나를 가지는 K 개의 단말에게 하향링크 다중 사용자 전송을 수행하기 위한 수신 신호 모델은 하기 <수학식 1>과 같이 표현할 수 있다. First, in order to calculate the optimal DPC performance, a reception signal model for performing downlink multi-user transmission to K terminals having a single reception antenna by M base stations having a single transmission antenna may be expressed as
여기서, 모든 행렬 및 벡터들은 복소 심볼을 원소로 갖는다. 상기 
여기서, 각 기지국 당 전송 가능한 최대 전력을 
여기서, 상기 <수학식 2>를 만족하는 임의의 송신 선처리 행렬 
여기서, 상기 
상기의 비선형 전송 방식 대신, 현실적인 구현 복잡도를 고려하여, 사용자 전체의 전송 용량을 최대화하는 최적의 선형적 전송 방식을 적용하면, 상기 <수학 식 3>은 하기 <수학식 4>와 같이 형성될 수 있다.Instead of the non-linear transmission scheme, considering the realistic implementation complexity, if the optimal linear transmission scheme for maximizing the transmission capacity of the entire user is applied,
즉, 상기 <수학식 3>과 비교하였을 때, 상기 <수학식 4>는 로그 항의 분모의 합산 부분에서 합산 조건이 
여기서, 상기 <수학식 4>와 같이, 사용자 전체의 전송 용량을 최대화하는 최적의 선형적 전송 방식을 적용하여, 송신 선처리 행렬 
따라서, 본 발명에서는 상기 <수학식 1>의 수신 신호 모델에서의 송신 선처리 행렬 
즉, 본 발명에서는 
여기서, 상기 
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템의 기지국에서 다중 사용자를 위한 MMSE 기반의 선형적 전송 방법을 도시한 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a MMSE-based linear transmission method for multiple users in a base station of a distributed MIMO system according to an embodiment of the present invention.
상기 도 2를 참조하면, 기지국은 201단계에서 주기적으로 단말들로부터 피드백 정보를 수신한다. 여기서, 상기 피드백 정보는 채널 정보를 의미한다. Referring to FIG. 2, the base station periodically receives feedback information from the terminals in
이후, 상기 기지국은 203단계에서 송신할 데이터가 존재하는지 여부를 검사한다. 상기 송신할 데이터가 존재하지 않을 시, 상기 기지국은 상기 201단계로 돌아가 이하 단계를 반복 수행한다. 반면, 상기 송신할 데이터가 존재할 시, 상기 기지국은 205단계에서 상기 채널 정보를 이용하여 MMSE 송신 선처리 행렬을 계산하며, 이때 상기 MMSE 송신 선처리 행렬은 PAPC 및 사용자별 간섭 전력을 고려하여 계산한다. In
먼저, 상기 MMSE 송신 선처리 행렬은 가우스 마르코프(Gauss-Markoff) 정리의 MMSE 조건식을 사용하여 하기 <수학식 6>과 같이 유도할 수 있다. First, the MMSE transmission preprocessing matrix can be derived as shown in
여기서, 상기 
여기서, 상기 <수학식 7>을 상기 <수학식 6>에 대입하면, 하기 <수학식 8>과 같은 최적의 MMSE 송신 선처리 행렬 G를 계산할 수 있다. Here, by substituting
여기서, 상기 MMSE 송신 선처리 행렬의 역행렬 부분의 
이후, 상기 기지국은 상기 채널 행렬 
여기서, 상기 전력 제어 과정은, K개의 최적화 변수 
여기서, 상기 <수학식 10>은 상기 <수학식 4>와 비교할 때, 선형적인 선처리 행렬 
이후, 상기 기지국은 209단계에서 상기 결정된 최적화 변수를 이용하여 상기 송신할 데이터에 전력을 할당한다. In
이후, 상기 기지국은 211단계에서 상기 계산된 MMSE 송신 선처리 행렬을 이용하여, 상기 전력이 할당된 데이터를 선처리하고, 213단계에서 상기 선처리된 데이터를 전송한다.Thereafter, the base station preprocesses the data to which the power is allocated using the calculated MMSE transmission preprocessing matrix in
이후, 상기 기지국은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다. The base station then terminates the algorithm according to the invention.
한편, 상기 <수학식 10>의 최적화 문제에 대한 비최적의 전력 제어 방안으로서 매우 간단한 최적화 변수 
상기 방식은 가장 기본적인 MMSE 전송 방식이라고 할 수 있으며, 본 발명에서 제안하는 최적의 전력 제어 알고리듬의 초기값으로 사용될 수 있다. The method may be referred to as the most basic MMSE transmission method, and may be used as an initial value of an optimal power control algorithm proposed by the present invention.
상기 <수학식 10>의 최적화 문제에 대한 전력 제어 방안으로는 다양한 전력 제어 방법이 존재할 수 있으나, 본 발명에서는 복잡도는 높은 편이지만 최적의 전력 제어를 보장하는 시뮬레이티드 어넬링(Simulated Annealing : SA) 알고리듬을 상기 <수학식 10>의 최적화 문제에 적합하게 변형하여 제시한다. 여기서, 상기 시뮬레이티드 어넬링 알고리듬은 해공간의 전 영역에서 탐색이 가능한 확률적 탐색 알고리즘으로써, 현재의 해에서 새로운 해를 확률적으로 생성하여 평가하고 이 해를 받아들일 것인지를 확률적으로 결정하는 과정을 반복하여 전역 최적화를 수행한다. As a power control method for the optimization problem of
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템의 기지국에서 시뮬레이티드 어넬링 알고리듬을 이용한 최적의 전력 제어 방법을 도시한 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating an optimal power control method using a simulated annealing algorithm in a base station of a distributed MIMO system according to an embodiment of the present invention.
상기 도 3을 참조하면, 기지국은 301단계에서 최적의 전력 제어를 위한 초기 파라미터를 설정한다. 여기서, 상기 파라미터는 반복 인덱스 
이후, 상기 기지국은 303단계에서 최적화 변수 및 최적화 변수에 따른 전송 용량의 현재 상태 값을 설정한다. 여기서, 상기 최적화 변수 및 최적화 변수에 따른 전송 용량의 현재 상태 값은 하기 <수학식 12>와 같이 설정한다. In
이후, 상기 기지국은 305단계에서 최적화 변수 및 최적화 변수에 따른 전송 용량에 대한 초기의 최적해를 설정한다. 여기서, 상기 초기의 최적해는 하기 <수학식 13>과 같이 설정한다. In
이후, 상기 기지국은 307단계에서 상기 최적화 변수 및 최적화 변수에 따른 전송 용량의 다음 상태 값을 설정한다. 여기서, 상기 최적화 변수 및 최적화 변수에 따른 전송 용량의 다음 상태 값은 하기 <수학식 14>와 같이 설정한다. In
여기서, 
이후, 상기 기지국은 309단계에서 상기 설정된 전송 용량의 다음 상태 값 
이후, 상기 기지국은 상기 313단계에서 상기 설정된 전송 용량의 다음 상태 값 
상기 313단계에서, 상기 설정된 전송 용량의 다음 상태 값 
반면, 상기 313단계에서, 상기 설정된 전송 용량의 다음 상태 값 
즉, 상기 기지국은 상기 <수학식 15>에서 지수함수 형태로 계산되는 부분이 0과 1사이의 랜덤한 값보다 큰 경우 다음 상태의 최적화 변수 및 전송 용량 값을 현재 상태의 최적화 변수 및 전송 용량 값으로 강제로 갱신한다. 이를 통해, 최적화 과정에서 처음 발견되는 하나의 지역적 최적점(local optimum)에 수렴하는 것을 방지하고, 전체 탐색과 같은 효과로서 전역적 최적점(global optimum)으로 수렴하 도록 탐색을 일반화시킬 수 있다. 이때, 상기 온도 함수 
이후, 상기 기지국은 상기 319단계에서 상기 전송 용량의 최적해 
상기 319단계에서, 상기 전송 용량의 최적해 
반면, 상기 319단계에서, 상기 전송 용량의 최적해 
한편, 상기 시뮬레이티드 어넬링 알고리듬에서, 복잡도 및 전송 용량 간의 트레이드 오프(trade-off) 관계를 고려하여 
또한, 복잡도를 최대로 낮추고자 한다면, 제안 방식의 1단계인 최적 MMSE 송신 선처리 행렬을 구한 후, 이에 따라 유일하게 결정되는 행렬 
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템에서 기지국의 전송 장치를 도시한 블럭도이다. 4 is a block diagram illustrating an apparatus for transmitting a base station in a distributed MIMO system according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 기지국은 전력 할당부(402), 선처리부(404), 최적화 변수 결정부(406), MMSE 송신 선처리 행렬 계산부(408), 피드백 수신부(410)를 포함하여 구성된다. As shown, the base station includes a
상기 도 4를 참조하면, 전력 할당부(402)는 최적화 변수 결정부(406)로부터 최적화 변수를 제공받고, 상기 최적화 변수를 이용하여 송신할 데이터에 전력을 할 당한 후, 상기 전력이 할당된 데이터를 선처리부(404)로 제공한다. Referring to FIG. 4, the
상기 선처리부(404)는 MMSE 송신 선처리 행렬 계산부(408)로부터 MMSE 송신 선처리 행렬을 제공받고, 상기 MMSE 송신 선처리 행렬을 이용하여 상기 전력이 할당된 데이터를 선처리한 후, 상기 선처리된 데이터를 안테나를 통해 단말로 전송한다.The
상기 최적화 변수 결정부(406)는 피드백 수신부(410)로부터 단말들의 채널 정보를 제공받고, 상기 MMSE 송신 선처리 행렬 계산부(408)로부터 MMSE 송신 선처리 행렬을 제공받아, PAPC에 의한 제약 조건식을 만족시키면서 전체 전송 용량을 최대화하는 최적화 변수를 결정하며, 상기 결정된 최적화 변수를 상기 전력 할당부(402)로 제공한다. The optimization
상기 MMSE 송신 선처리 행렬 계산부(408)는 상기 피드백 수신부(410)로부터 단말들의 채널 정보를 제공받고, 이를 이용하여 MMSE 송신 선처리 행렬을 계산하며, 상기 계산된 MMSE 송신 선처리 행렬을 상기 선처리부(404) 및 최적화 변수 결정부(406)로 제공한다. 이때 상기 MMSE 송신 선처리 행렬은 PAPC 및 사용자별 간섭 전력을 고려하여 계산한다. The MMSE transmit
상기 피드백 수신부(410)는 주기적으로 단말들로부터 피드백 정보를 수신하여 상기 최적화 변수 결정부(406) 및 MMSE 송신 선처리 행렬 계산부(408)로 제공한다. 여기서, 상기 피드백 정보는 채널 정보를 의미한다.The
한편, 이하 설명에서 본 발명에서 제안하는 MMSE 기반의 2 단계 전송 방법의 성능 평가를 위해 하기 <표 1>과 같은 모의 실험 환경을 정의한다.On the other hand, in the following description to define the simulation environment as shown in Table 1 to evaluate the performance of the MMSE-based two-stage transmission method proposed in the present invention.
도 5는 본 발명에서 제안하는 시뮬레이티드 어넬링 알고리듬을 이용한 최적의 전력 제어 방법에서 전송 용량을 반복 인덱스에 대해 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing the transmission capacity with respect to the repetition index in the optimal power control method using the simulated annealing algorithm proposed in the present invention.
상기 도 5를 참조하면, 현재 상태의 전송 용량이, 반복 과정 초기에는 자주 변화하나, 약 200회의 반복 과정 후에 전송 용량이 최적값으로 수렴함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the transmission capacity of the current state changes frequently at the beginning of the repetition process, but after about 200 repetitions, the transmission capacity converges to an optimal value.
도 6은 본 발명에서 제안하는 다중 사용자를 위한 MMSE 기반의 선형적 전송 방법과 종래 기술에 따른 선형적 전송 방법 간 전송 용량의 성능을 기지국 당 전송 용량의 누적 분포 함수로서 비교 도시한 그래프이다.6 is a graph illustrating the performance of the transmission capacity between the MMSE-based linear transmission method and the conventional linear transmission method for the multi-user proposed in the present invention as a cumulative distribution function of transmission capacity per base station.
상기 도 6을 참조하면, 'MMSE + PC'로 표기된 방식은 본 발명에서 제안하는 MMSE 기반 2단계 전송 방법으로, 상기 <수학식 4>에서 제시한, 'Optimal linear precoder'로 표기된 최적의 선형적 전송 방식의 성능에 근접하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 'ZF'로 표기된 방식은 송신 선처리 행렬을 
도 7은 본 발명에서 제안하는 다중 사용자를 위한 MMSE 기반의 선형적 전송 방법과 종래 기술에 따른 DPC 전송 방법 간 전송 용량의 성능을 기지국 당 전송 용량의 누적 분포 함수로서 비교 도시한 그래프이다.7 is a graph illustrating the performance of the transmission capacity between the MMSE-based linear transmission method for the multi-user proposed in the present invention and the conventional DPC transmission method as a cumulative distribution function of transmission capacity per base station.
상기 도 7을 참조하면, 'MMSE + PC'로 표기된 방식은 본 발명에서 제안하는 MMSE 기반 2단계 전송 방법으로, 누적 분포 함수의 중앙값에서 3.3 bps/Hz/BS의 전송 용량을 보임을 알 수 있다. 이는 제안하는 방식이, 'ZF-DPC'로 표기된 방식, 즉 사용자 정렬 및 QR 분해를 활용하는 준최적의 방식 대비 0.1 bps/Hz/BS 이내의 성능 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 방식이, 'Optimal DPC'로 표기된 방식, 즉 상기 <수학식 3>에서 제시한 최적의 비선형 DPC 방식 대비 0.3 bps/Hz/BS 이내의 성능 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 'MMSE-DPC'로 표기된 방식은, 본 발명에서 제안한 방식에 추가로 비선형 DPC를 적용한 방식으로, 본 발명에서 제안한 방식을 사용자 정렬에 따라 K! 회 반복 수행하고 그 중 최대의 전송 용량을 선택함으로써, 최적의 DPC 방식 대비 0.05 bps/Hz/BS 이내의 성능 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 7, the method labeled 'MMSE + PC' is an MMSE-based two-stage transmission method proposed by the present invention, and shows a transmission capacity of 3.3 bps / Hz / BS at the median value of the cumulative distribution function. . It can be seen that the proposed method shows a performance difference within 0.1 bps / Hz / BS compared to the sub-optimal method using 'ZF-DPC', that is, user alignment and QR decomposition. In addition, it can be seen that the method proposed by the present invention shows a performance difference within 0.3 bps / Hz / BS compared to the method represented by 'Optimal DPC', that is, the optimal nonlinear DPC method presented in
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
도 1은 본 발명에 따른 섹터로 분할된 분산 MIMO 시스템을 도시한 도면,1 illustrates a distributed MIMO system divided into sectors according to the present invention;
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템의 기지국에서 다중 사용자를 위한 MMSE 기반의 선형적 전송 방법을 도시한 흐름도,2 is a flowchart illustrating a MMSE-based linear transmission method for multiple users in a base station of a distributed MIMO system according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템의 기지국에서 시뮬레이티드 어넬링 알고리듬을 이용한 최적의 전력 제어 방법을 도시한 흐름도,3 is a flowchart illustrating an optimal power control method using a simulated annealing algorithm in a base station of a distributed MIMO system according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템에서 기지국의 전송 장치를 도시한 블럭도,4 is a block diagram showing an apparatus for transmitting a base station in a distributed MIMO system according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명에서 제안하는 시뮬레이티드 어넬링 알고리듬을 이용한 최적의 전력 제어 방법에서 전송 용량을 반복 인덱스에 대해 나타낸 그래프,5 is a graph showing a transmission capacity with respect to a repetitive index in an optimal power control method using a simulated annealing algorithm proposed in the present invention;
도 6은 본 발명에서 제안하는 다중 사용자를 위한 MMSE 기반의 선형적 전송 방법과 종래 기술에 따른 선형적 전송 방법 간 전송 용량의 성능을 기지국 당 전송 용량의 누적 분포 함수로서 비교 도시한 그래프, 및6 is a graph illustrating the performance of the transmission capacity between the MMSE-based linear transmission method and the conventional linear transmission method for the multi-user proposed in the present invention as a cumulative distribution function of transmission capacity per base station, and
도 7은 본 발명에서 제안하는 다중 사용자를 위한 MMSE 기반의 선형적 전송 방법과 종래 기술에 따른 DPC 전송 방법 간 전송 용량의 성능을 기지국 당 전송 용량의 누적 분포 함수로서 비교 도시한 그래프.7 is a graph illustrating the performance of the transmission capacity between the MMSE-based linear transmission method for the multi-user proposed in the present invention and the conventional DPC transmission method as a cumulative distribution function of transmission capacity per base station.
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