KR20110045649A - Transmission apparatus and method for performing interference alignment thereof, and Reception apparatus and method for operating thereof - Google Patents
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Abstract
Description
송신장치 및 그의 간섭 정렬 방법, 그리고, 수신장치 및 그의 동작 방법 에 관한 것으로서, 보다 자세히는, 송신측의 전송빔을 사용하여 간섭 정렬을 수행하는 송신장치 및 그의 간섭 정렬 방법, 그리고, 수신장치 및 그의 동작 방법 에 관련된 것이다.The present invention relates to a transmitter and an interference alignment method thereof, and a receiver and an operation method thereof, and more particularly, a transmitter and an interference alignment method thereof, which perform interference alignment using a transmission beam on a transmission side, and a receiver and It is related to how it works.
최근, 데이터 전송률 및 통신의 신뢰도를 향상시키기 위해 복수의 셀들을 포함하는 통신 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 복수의 셀들은 셀룰러 기지국, 펨토 기지국, 고정된(fixed) 기지국 또는 이동(mobile) 기지국, 중계기 및 단말기들을 포함한다.Recently, studies on a communication system including a plurality of cells have been actively conducted to improve data transmission rate and reliability of communication. Here, the plurality of cells includes a cellular base station, a femto base station, a fixed base station or a mobile base station, a repeater and terminals.
복수의 셀들에 위치하는 기지국들 각각은 무선 자원의 사용 효율을 높이기 위하여 동일한 무선 자원(예를 들어, 주파수, 시간, 코드 자원 등)을 사용하여 대응하는 단말들과 통신할 수 있다. 다만, 복수의 기지국들이 동일한 무선 자원을 사용하는 경우, 단말들 각각에서 간섭이 발생할 수 있고, 이러한 간섭으로 인해 성 능(throughput)이 감소할 수 있다. 따라서, 무선 자원의 사용 효율을 극대화하면서도 이러한 간섭으로 인한 성능의 감소를 최소화하는 기술이 필요하다.Each of the base stations located in the plurality of cells may communicate with corresponding terminals by using the same radio resource (eg, frequency, time, code resource, etc.) in order to increase the use efficiency of the radio resource. However, when a plurality of base stations use the same radio resource, interference may occur in each of the terminals, and the throughput may be reduced due to such interference. Therefore, there is a need for a technique for maximizing the use of radio resources while minimizing the reduction in performance due to such interference.
제안하는 실시예에 따른 송신장치는, 빔포밍 정렬을 위한 상관계수, 간섭 채널 환경에 대응하는 전체 채널 정보 및 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 빔포밍 행렬 생성부; 및 상기 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 적어도 하나의 수신장치에게 상기 빔포밍된 신호를 전송하는 전송부를 포함할 수 있다.The transmitter according to the present embodiment includes a beamforming matrix generator for generating an optimal beamforming matrix for interference alignment using a correlation coefficient for beamforming alignment, total channel information corresponding to an interference channel environment, and a beamforming matrix. ; And a transmitter for beamforming a signal using the generated optimal beamforming matrix and transmitting the beamformed signal to at least one receiver.
상기 빔포밍 행렬 생성부는 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. The beamforming matrix generator may generate the optimal beamforming matrix through an iterative operation of recalculating the correlation coefficient by using the initial value of the correlation coefficient and using the calculated beamforming matrix. Can be.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상기 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.The beamforming matrix generator may use an eigenvector calculated using a power method as the optimal beamforming matrix.
상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수신하는 수신부를 더 포함 할 수 있다.The apparatus may further include a receiver configured to receive the entire channel information fed back from the at least one receiver.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면, 상기 상관계수, 상기 전체 채널 정보 및 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다. The beamforming matrix generator may generate the optimal beamforming matrix by using the correlation coefficient, the entire channel information, and the beamforming matrix when the channel change amount accumulated in the at least one receiver in the time-varying channel is greater than a reference value. Can be.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.The beamforming matrix generator may generate the optimal beamforming matrix by using the calculated transmission beamforming matrix and the channel change amount when the channel change amount accumulated in the at least one receiver in the time-varying channel is smaller than a reference value. have.
상기 빔포밍 행렬 생성부는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.The beamforming matrix generator may generate the optimal beamforming matrix by applying the accumulated channel change amount to a matrix inversion lemma.
상기 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 상기 복수의 송신장치 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.The accumulated channel change amount may be a matrix or a vector showing a channel change amount between the at least one receiver and the plurality of transmitters.
한편, 제안하는 실시예에 따른 수신장치는, 적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 채널 추정부; 및 상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 피드백부를 포함 할 수 있다.On the other hand, the receiver according to the present embodiment, the receiver for receiving a beamformed signal from at least one transmitter; A channel estimator for estimating channel information from the received signal and calculating an accumulated amount of channel change from the estimated channel information; And a feedback unit feeding back the estimated channel information to the at least one transmitter when the accumulated channel change amount is greater than a preset reference value.
상기 피드백부는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백할 수 있다.The feedback unit may feed back the accumulated channel change amount to the at least one transmitter when the accumulated channel change amount is less than the reference value.
한편, 제안하는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법은, 빔포밍 정렬을 위한 상관계수, 피드백되는 전체 채널 정보 및 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 적어도 하나의 수신장치에게 빔포밍된 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the interference alignment method of the transmission apparatus according to the present embodiment, generating an optimal beamforming matrix for the interference alignment by using the correlation coefficient for the beamforming alignment, the entire channel information fed back and the beamforming matrix; And beamforming a signal by using the generated optimal beamforming matrix, and then transmitting the beamformed signal to at least one receiver.
상기 생성하는 단계는, 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. The generating may include calculating the beamforming matrix using an initial value of the correlation coefficient and generating the optimal beamforming matrix through an iterative operation of recalculating the correlation coefficient using the calculated beamforming matrix. Can be.
상기 생성하는 단계는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상 기 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.In the generating, the eigenvector calculated using the power method may be used as the optimal beamforming matrix.
상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include receiving the entire channel information fed back from the at least one receiver.
상기 빔포밍 생성하는 단계는, 시변 채널에서 상기 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면, 상기 상관계수, 상기 전체 채널 정보 및 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.The generating of the beamforming may include generating the optimal beamforming matrix by using the correlation coefficient, the entire channel information, and the beamforming matrix when the amount of channel variation accumulated in the one receiver in a time-varying channel is greater than a reference value. Can be.
상기 생성하는 단계는, 시변 채널에서 상기 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.The generating may include generating the optimal beamforming matrix using the calculated transmission beamforming matrix and the channel change amount when the channel change amount accumulated in the one receiver in the time-varying channel is smaller than a reference value.
상기 빔포밍 생성하는 단계는, 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.In the generating of the beamforming, the optimal beamforming matrix may be generated by applying the accumulated channel variation amount to a matrix inversion lemma.
상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 상기 복수의 송신장치 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.The channel change amount accumulated in the at least one receiver may be a matrix or a vector showing a channel change amount between the at least one receiver and the plurality of transmitters.
한편, 제안하는 실시예에 따른 수신장치의 동작방법은, 적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 단계; 및 상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the operation method of the receiving apparatus according to the proposed embodiment, the step of receiving a beamformed signal from at least one transmitting apparatus; Estimating channel information from the received signal and calculating an accumulated channel change amount from the estimated channel information; And feeding back the estimated channel information to the at least one transmitter when the accumulated channel change amount is greater than a preset reference value.
상기 피드백하는 단계는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으 면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백할 수 있다.The feedback may include feeding back the accumulated channel change amount to the at least one transmitter when the accumulated channel change amount is less than the reference value.
제안되는 실시예에 따르면, 여러 사용자가 공존하는 MIMO 시변 간섭 채널에서 반복적인 최소 자승법을 이용하여 적응적으로 간섭을 정렬하는 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이로써, 원하는 빔포밍 행렬을 수렴하기 위한 반복횟수를 최소화하여도 높은 성능 향상을 제공할 수 있다. 따라서, MIMO 무선 채널이 여러 사용자들의 간섭에 의해 제한되는 경우, 원하는 수신신호와 다른 사용자의 신호를 서로 다른 공간으로 분리해 줌으로써 시스템의 신호 공간의 자유도 (degree of freedom)를 최대로 할 수 있고 이를 통하여 높은 성능 향상을 이룰 수 있다. According to the proposed embodiment, it is possible to generate a beamforming matrix that adaptively aligns interference using an iterative least square method in a MIMO time varying interference channel in which several users coexist. As a result, it is possible to provide high performance even by minimizing the number of repetitions for converging a desired beamforming matrix. Therefore, when the MIMO radio channel is limited by the interference of several users, it is possible to maximize the degree of freedom of the signal space of the system by separating the desired reception signal and the signal of other users into different spaces. This can achieve high performance.
또한, 제안되는 실시예는, 시변 채널 환경에서도 수신장치에서의 채널 변화량을 피드백 받아서 최소한의 복잡도만으로도 채널의 변화를 따라가는 적응적 간섭 정렬 기술을 제안함으로써 실제 차세대 이동 통신 시스템의 송신장치를 구성하는 데에 핵심 기술로 사용될 수 있다.In addition, the proposed embodiment proposes an adaptive interference alignment technology that follows a channel change with a minimum complexity by receiving feedback of the channel change amount in the receiving device even in a time-varying channel environment to configure a transmission device of an actual next generation mobile communication system. Can be used as a core technology.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공기 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related air technology or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be abbreviated or omitted.
도 1은 간섭 정렬 기술을 사용하는 통신 시스템에서, 명의 사용자가 각각 M과 N개의 송, 수신 안테나를 가지고 있는 MIMO 간섭채널 (interference channel) 모델을 도시한 도면이다.1 is a communication system using an interference alignment technique, A diagram illustrating a MIMO interference channel model in which users have M and N transmit and receive antennas, respectively.
도 1을 참조하면, Tx1, …, TxK는 송신장치, Rx1, …, RxK는 수신장치, 는 번 째 송신장치에서의 자유도, (=HKK)는 행렬로 번 째 송신장치로부터 번 째 수신장치까지의 MIMO 채널 행렬, 는 간섭 정렬을 위한 번 째 송신기에서의 빔포밍(beamforming) 행렬로 의 크기를 갖는 행렬을 나타낸다. 송신장치의 예로는 매크로 기지국, 셀 기지국과 같은 통신 기지국, 수신장치의 예로는 셀룰러 폰과 같은 단말기를 들 수 있다.1, Tx1,... , TxK is the transmitter, Rx1,. , RxK is the receiver, Is Degrees of freedom at the first transmitter, (= H KK ) is By matrix From the first transmitter The MIMO channel matrix up to the first receiver, For interference alignment To the beamforming matrix at the first transmitter Represents a matrix with the size of. Examples of the transmitting apparatus may include a macro base station, a communication base station such as a cell base station, and an example of a receiving apparatus may be a terminal such as a cellular phone.
이러한 간섭채널모델에서, 각각의 송신장치에서는 자신이 전송하고자 하는 dk × 1 행렬 신호에 빔포밍 행렬()을 곱하여 전송하게 되며, 이는 MIMO 간섭 채널을 거쳐 각 수신장치에 전달된다. 여기서 각 수신장치의 수신 공간을 신호공간과 간섭 공간으로 분리시켜 주면 수신장치에서는 전체 신호 공간 가운데 자신의 원하는 신호만이 있는 공간만큼을 오류 없는 정보로 사용할 수 있게 되어 전체 시스템 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 이를 위하여 각 송신장치에서는 효과적으로 을 설계하여야 한다. 이하에서는, 편의를 위해 빔포밍 행렬이라는 표현을 사용하지만, 형태는 행렬뿐만 아니라 벡터의 형태일 수 있다.In this interference channel model, each transmitter transmits a beamforming matrix to a dk × 1 matrix signal Multiply by), and it is transmitted to each receiver through the MIMO interference channel. Here, if the receiving space of each receiving apparatus is separated into the signal space and the interference space, the receiving apparatus can use as much error-free information as the space of only the desired signal among the entire signal space, thereby dramatically increasing the overall system capacity. Can be. For this purpose, each transmitter effectively Should be designed. In the following description, a representation of a beamforming matrix is used for convenience, but the form may be a form of a vector as well as a matrix.
도 2는 제안되는 실시예에 따른 송신장치 및 수신장치를 도시한 블록도이다.2 is a block diagram showing a transmitter and a receiver according to the proposed embodiment.
도 2에 도시된 송신장치는 도 1에 도시된 송신장치들 중 어느 하나일 수 있 다. 도 2를 참조하면, 송신장치(200)는 수신부(212), 빔포밍 행렬 생성부(214), 채널 인코더(216) 및 전송부(218)를 포함할 수 있다.The transmitter shown in FIG. 2 may be any one of the transmitters shown in FIG. 1. Referring to FIG. 2, the
수신부(212)는 수신장치들(Rx1, …, RxK) 중 적어도 하나로부터 전체 채널 정보 또는 누적된 채널 변화량(△H)을 수신할 수 있다. 전체 채널 정보는 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로부터 전송되는 채널 방향 정보와 채널 품질 정보를 포함할 수 있으며, 간섭 채널 환경에 대응하는 정보일 수 있다. 누적된 채널 변화량은 각 수신장치(Rx1, …, RxK)가 순차적으로 추정하는 채널 정보를 비교하여 이전에 추정된 채널 정보와 현재 추정된 채널 정보의 변화량을 누적한 값일 수 있다.The
각 수신장치(Rx1, …, RxK)는 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면 추정된 전체 채널 정보를 송신장치(200)에게 피드백하며, 기준값보다 작으면 누적된 채널 변화량을 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다.Each receiver Rx1, ..., RxK feeds back the estimated total channel information to the
또한, 수신부(212)는 통신 시스템을 제어하는 중앙 제어부(미도시)를 통해 누적된 채널 변화량 또는 전체 채널 정보를 수신할 수 있다. 즉, 송신단의 중앙에 위치하는 하나의 노드가 복수의 수신장치들(Rx1, …, RxK)로부터 채널에 대한 정보를 수신하여 해당 송신장치에게 제공할 수 있다. 이때, 중앙 제어부의 일 예로는 RNC(Radio Network Controller)를 들 수 있으며, RNC는 송신장치 외부 또는 내부에 구비될 수 있다. 간섭 정렬 설계 순서는, 복수의 송신장치들(Tx1, …, TxK)이 간섭 정렬을 수행하기 위해 빔포밍 행렬을 순차적으로 생성하는 순서를 나타내는 것으로서, 기설정될 수 있다. In addition, the
빔포밍 행렬 생성부(215)는 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로부터 전체 채널 정 보 또는 채널 변화량을 수신받아, 순차적으로 각 수신장치(Rx1, …, RxK)에 대해 간섭정렬을 수행할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 수신장치(300)로부터의 수신빔은 사용하지 않고, 송신장치(200)에서 전송하기 위한 전송빔을 사용하여 간섭정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하고, 또한, 시변 채널 환경에 적응할 수 있는 빔포밍 행렬을 업데이트할 수 있다. 이는, SINR(Signal to Interference Plus Noise Ratio) 또는 SNR(Signal to Noise Ratio)을 최대화할 수 있다.The beamforming matrix generator 215 receives the entire channel information or the channel variation amount from each of the receivers Rx1, ..., RxK, and sequentially performs interference alignment on each of the receivers Rx1, ..., RxK. Can be. In this case, the
먼저, 수신부(212)가 전체 채널 정보를 수신한 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 빔포밍 정렬을 위한 상관계수(), 수신부(212)를 통해 수신되는 전체 채널 정보, 및 초기 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 생성되는 최적 빔포밍 행렬을 복수의 간섭 공간이 서로 선형하도록 할 수 있다.First, when the
빔포밍 정렬을 위하여 정의된 상관계수()는 초기값이 주어질 수 있다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 상관계수()의 초기값을 이용하여 초기 빔포밍 행렬을 산출하고, 산출된 초기 빔포밍 행렬을 이용하여 상관계수()를 재산출하는 연산을 반복적으로 수행하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 또한, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다. Correlation coefficients defined for beamforming alignment ) May be given an initial value. The
상술한 빔포밍 행렬 생성부(214)의 상세한 동작은 [수학식 1] 내지 [수학식 8]과 관련된다.The detailed operation of the
구체적으로, 빔포밍 행렬 생성부(215)는 아래의 [수학식 1]을 만족하는 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. [수학식 1]은 사용자가 명이고 각 사용자가 개의 안테나를 가진 경우 간섭 정렬이 이루어지는 조건을 식으로 나타낸 것이다.In detail, the beamforming matrix generator 215 may generate a beamforming matrix that satisfies
[수학식 1]에서, 는 어떤 행렬 의 열 공간(column space)을 뜻한다. [수학식 1]은 자신의 수신장치로 들어오는 다른 송신장치의 간섭 신호들을 같은 공간에 몰아주게 하므로 간섭 정렬은 [수학식 1]을 만족하는 을 찾는 것이다. 다른 송신장치는 임의 수신장치에 매칭되지 않는 송신장치를 의미한다.In [Equation 1], Which matrix It means column space of.
한편, 통신 시스템이 이러한 간섭 정렬 기술을 사용하는 경우, 적지 않은 오버헤드가 발생할 수 있다. 여기서, 오버헤드의 개념은 단말들이 간섭 채널들에 대한 정보를 피드백하는 과정에서 발생하는 오버헤드, 간섭 채널들에 대한 정보를 공유하는 과정에서 발생하는 오버헤드 및 빔포밍 행렬 또는 수신장치의 디코딩 행렬들을 반복적으로 생성하는 과정에서 발생하는 오버헤드를 포함한다.On the other hand, when the communication system uses such an interference alignment technique, a considerable amount of overhead may occur. Here, the concept of the overhead is the overhead that occurs when the UEs feed back information about the interference channels, the overhead that occurs when sharing information about the interference channels and the beamforming matrix or decoding matrix of the receiver It includes the overhead incurred in creating them repeatedly.
예를 들어, 시간 분할 다중화(Time Division Duplex, TDD) 환경에서는, 각각의 송신장치(Tx1, …, TxK)와 각각의 수신장치(Rx1, …, RxK)는 반복적인(iterative) 방법을 사용하여 빔형성 벡터 및 디코딩 행렬들(w1, w2, w3)을 생성한다. 이러한 반복적인 방법을 사용하는 것 또한 통신 시스템에서 발생하는 오버헤 드를 증가시킬 수 있다.For example, in a time division duplex (TDD) environment, each transmitter Tx1, ..., TxK and each receiver Rx1, ..., RxK use an iterative method. Generate beamforming vector and decoding matrices w1, w2, w3. Using this iterative method can also increase the overhead that occurs in a communication system.
송신장치 및 수신장치의 개수가 각각 K개이고, 간섭 정렬 기법을 이상적으로 사용하는 경우, 송신장치들과 수신장치들 간에 참조신호를 송수신하는 반복회수가 많아 통신 시스템에서 발생하는 딜레이 및 오버헤드가 증가될 수 있다. K=3인 경우를 예로 들면, 송신장치들과 수신장치들 간에 참조신호를 송수신하는 반복회수는 50회 정도가 요구된다. 이러한, 간섭 정렬 기법을 이상적으로 사용하는 경우와 같이, 송신장치들과 수신장치들 간에 반복회수를 감소시키면서도 통신 시스템의 오버헤드를 줄이고 high SNR을 위한 기술이 필요하다.When the number of transmitters and receivers is K and the interference alignment technique is ideally used, delays and overhead in a communication system increase due to a large number of repetitions of transmitting and receiving a reference signal between transmitters and receivers. Can be. For example, when K = 3, the number of repetitions for transmitting and receiving a reference signal between transmitting apparatuses and receiving apparatuses is about 50 times. As is the case in which the interference alignment technique is ideally used, there is a need for a technique for high SNR while reducing the overhead of the communication system while reducing the number of iterations between the transmitters and the receivers.
따라서, 제안되는 실시예에서는 수신장치의 디코딩 행렬을 고려하지 않고, [수학식 1]을 사용하여 간섭 정렬을 수행할 수 있다. [수학식 1]의 각 행은 개의 방정식으로 쓸 수 있고, 이를 각 행에 대하여 모두 만족하게 하는 을 구하는 것이 제안하는 간섭 정렬 기술의 목적이 될 수 있다.Therefore, in the proposed embodiment, the interference alignment may be performed using
다시 말해서, 제안되는 실시예에서는 두 개의 서로 다른 행렬 A와 B로 구성되는 공간 C(A)와 C(B)가 같아지는 조건은 A의 모든 열벡터들이 B의 열벡터들의 선형 조합으로 표현되어야 한다는 조건을 이용할 수 있다. In other words, in the proposed embodiment, the condition that the spaces C (A) and C (B), which are composed of two different matrices A and B, are equal, all column vectors of A must be expressed as a linear combination of the column vectors of B. Can be used.
예를 들어, [수학식 1]의 여러 개의 선형 방정식 중 을 만족하는 을 구하는 경우, 만족하는 조건을 수식으로 다시 쓰면 다음과 같다. For example, of several linear equations in [Equation 1] To satisfy If you get Rewrite the condition that meets the formula as follows.
여기서, 는 행렬의 번째 열을 나타낸 벡터이며, 실시예에서 제안하는 간섭 정렬 조건은 H ij V j = H iK V K A ik T 이다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이러한 간섭 정렬 조건을 만족하는 빔포밍 행렬 를 구함으로써, 복잡한 연산을 제거하고, 반복 회수를 감소시킴으로써 수렴 속도를 개선할 수 있다. 또한, 송신장치(200)는 독립적으로 간섭 정렬을 수행함으로써 빠르게 간섭정렬을 수행할 수 있다.here, Is Matrix Is the vector representing the second column, and the interference alignment condition proposed in the embodiment is H ij V j = H iK V K A ik T. The
[수학식 2]는 [수학식 3]의 선형 방정식으로 표현될 수 있다. 따라서, [수학식 2]를 만족하는 를 구하는 것은 [수학식 3]을 푸는 것과 같다.[Equation 2] may be represented by the linear equation of [Equation 3]. Therefore, satisfying [Equation 2] Finding is equivalent to solving [Equation 3].
여기서, 는 Kronecker product 연산자, 은 선형 대수학에서 'vec' 연산자에 해당하며, 는 coefficient matrix로서 을 나타낸다.here, The Kronecker product operator, Corresponds to the 'vec' operator in linear algebra, Is the coefficient matrix Indicates.
초기값으로서 가 기설정되어 있으며, 이러한 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 4]를 이용하여 을 구할 수 있다. [수학식 4]에 의해 가 정해지면 빔포밍 행렬 생성부(214)는 다시 [수학식 4]를 이용하여 최적의 을 결정할 수 있다.As an initial value In this case, the
[수학식 4]에서 는 의 pseudo-inverse이다. [수학식 4]로부터 기산출된 를 이용하여 가 산출되면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 다시 [수학식 4]에 산출된 를 대입하여 를 산출할 수 있다.In [Equation 4] Is Is a pseudo-inverse of. Calculated from [Equation 4] Using Is calculated, the
즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 3]과 [수학식 4]와 같은 과정을 반복함으로써, 을 만족하는 최적의 을 산출할 수 있다. 이러한 예를 바탕으로 [수학식 1]을 만족하는 일반적인 간섭 정렬 조건을 표현하면 다음과 같다.That is, the
[수학식 5]에서 는 K(K-2)Nd × KMd 매트릭스, 는 Nd × Md 매트릭스, vec(V j )는 Md × 1 vector, K는 user number, M은 Tx antennas, N은 Rx antennas, d는 사용자 별 데이터 스트림 수이다.In [Equation 5] Is the K (K-2) Nd × KMd matrix, Is Nd × Md matrix, vec ( V j ) is Md × 1 vector, K is user number, M is Tx antennas, N is Rx antennas, and d is the number of data streams per user.
[수학식 5]를 참조하면, 행렬의 크기는 이므로 사용자의 수가 많은 경우, overdetermined 방정식이 된다. 따라서, [수학식 5]를 만족하는 빔포밍 행렬을 모든 채널에 대해 구하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 K에 관계없이 모든 경우에 최적의 해를 찾기 위해서 최소 자승법 형태의 접근 방법을 사용할 수 있다. 즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 6]과 같은 최소 자승법을 이용하여 빔포밍 행렬의 근사 해인 를 구할 수 있다.Referring to [Equation 5], The size of the matrix Therefore, if the number of users is large, the overdetermined equation becomes. Therefore, it may be difficult to obtain a beamforming matrix satisfying Equation 5 for all channels. Accordingly, the
빔포밍 정렬을 위한 계수인 가 초기값으로 주어진 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 4] 내지 [수학식 6]을 통하여 이를 만족하는 을 쉽고 신속하게 구할 수 있는데, 이는 power method를 이용하여 의 가장 큰 고유값(eigen value)에 해당하는 고유 벡터(eigen vector)를 구하는 것이다.Coefficients for beamforming alignment Is given as an initial value, the
일반적인 [수학식 6]의 해는 의 최소 고유값에 해당하는 고유벡터이며, Power method는 가장 큰 고유값과 그에 해당하는 고유벡터를 구하는 방식이다. 따라서 의 역행렬인 에 power method를 적용할 경우, 의 최소 고유값에 해당하는 고유벡터를 구할 수 있다. The general solution to Equation 6 is This is the eigenvector corresponding to the minimum eigenvalue of, and the Power method finds the largest eigenvalue and the corresponding eigenvector. therefore Inverse of When the power method is applied to The eigenvectors corresponding to the minimum eigenvalues of can be found.
주어진 시간 에서 [수학식 6]의 해를 구하는 과정은 다음과 같다.Given time The solution of [Equation 6] in is as follows.
우선, , 으로 초기화 한다. 그리고 [수학식 7]의 과정을 미리 정해진 횟수(m)만큼 반복한다. 예를 들어, 처음에는 초기값으로 q(1 0 … 0]을 사용하고, 그 다음부터는 이전에 구한 값인 q(n,0)=q(n-1, i)를 사용하여 반복연산할 수 있다.first, , Initialize with And the process of [Equation 7] is repeated a predetermined number (m). For example, it is possible to iterate by using q (1 0… 0] as an initial value first and then using q (n, 0) = q (n-1, i), which is a previously obtained value. .
[수학식 7]을 참조하면, q(0,0)은 고유 벡터의 초기값, q(n,m)은 n시간 동안 m회 반복연산된 고유값, (n)은 Power method에 의해 구해진 근사해를 의미한다. 예를 들어, K (사용자 수) = 4, M(송신 안테나 수)=4, N(수신 안테나 수)=2, d(사용자 별 전송 데이터 스트림 수)=1인 경우, 5회 정도의 반복 연산으로 충분하다. 이는 일반적인 동작 구간에서 -34dB의 MSE는 양자화 오류 이하의 레벨에 해당하기 때문이다. 이와 같은 기준으로 해당 환경에서 적합한 반복 연산 수(m)을 결정할 수 있다.Referring to Equation 7, q (0,0) is the initial value of the eigenvector, q (n, m) is the eigenvalue repeated m times in n hours, (n) means the approximate solution obtained by the Power method. For example, if K (number of users) = 4, M (number of transmitting antennas) = 4, N (number of receiving antennas) = 2, and d (number of transmitting data streams per user) = 1, 5 iterations Is enough. This is because an MSE of -34 dB corresponds to a level below the quantization error in the normal operation period. Based on these criteria, it is possible to determine a suitable number of iterations (m) in the environment.
이러한 과정을 통하여 구해진 을 이용하여 'vec' 연산을 통하여 다시 송신장치들(Tx1, …, TxK)에서의 빔포밍 행렬 을 만들 수 있다. 'devec' 연산은 [수학식 5]에 기재된 'vec' 연산의 반대로서, 'vec'연산이 행렬의 열(column)을 일렬로 세워서 벡터로 만드는 과정인 경우, 'devec' 연산은 일렬로 정렬된 벡터를 행렬로 변환하는 과정일 수 있다.Obtained through this process Beamforming matrix in transmitters Tx1, ..., TxK again through 'vec' operation You can make The 'devec' operation is the inverse of the 'vec' operation described in [Equation 5]. When the 'vec' operation is a process of arranging columns of a matrix in a vector, the 'devec' operation is aligned in a line. It may be a process of converting the vector into a matrix.
또한 여기서 구한 을 이용하여 최적의 을 구할 수 있는데 이를 수식으로 표현하면 다음 [수학식 8]과 같다.Also obtained here Optimal using It can be obtained, which is expressed as the following formula (8).
따라서, 제안하는 방식은 가 주어진 경우, 주어진 , [수학식 3], [수학식 5] 및 [수학식 6]을 이용하여 빔포밍 행렬 을 산출하고, 가 산출되면 , [수학식 4] 및 [수학식 8]을 이용하여 를 재산출하는 과정을 반복할 수 있다. Therefore, the proposed method Given, given , Beamforming matrix using [Equation 3], [Equation 5] and [Equation 6] Yields, Is calculated , Using [Equation 4] and [Equation 8] You can repeat the process of recalculating.
보다 간략히 말하면, 제안되는 실시예는 [수학식 6]과 [수학식 8]을 반복적으로 풀어 최적 빔포밍 행렬을 구함으로써 간섭 정렬을 할 수 있다. 이렇게 새롭게 제안한 간섭 정렬 과정을 좀 더 자세히 설명한 것이 도 5에 도시한 흐름도로서, 후술한다.More briefly, the proposed embodiment can perform interference alignment by repeatedly solving Equations 6 and 8 to obtain an optimal beamforming matrix. The newly proposed interference alignment process will be described in more detail with reference to FIG. 5, which will be described later.
채널 인코더(216)는 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드 를 혼합한 채널코딩 알고리즘을 적용하여 송신장치(200)에서 전송하고자 하는 데이터를 채널코딩 및 변조할 수 있다. 여기서, 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘은 매우 다양할 뿐만 아니라, 이미 잘 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.The
전송부(218)는 빔포밍 행렬 생성부(214)에서 [수학식 6]을 통해 최종적으로 산출되는 최적 빔포밍 행렬 를 이용하여 채널 인코더(216)에서 인코딩된 데이터를 빔포밍하고, 빔포밍된 데이터를 포함하는 신호를 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로 전송할 수 있다. 신호는 실제로 전송할 데이터뿐만 아니라, 각 수신장치(Rx1, …, RxK) 채널 추정할 수 있도록 하는 신호를 포함하며, 파일럿 신호를 예로 들 수 있다. 전송부(218)는 하나 이상의 안테나를 구비할 수 있다.The
한편, 기존의 간섭 정렬 방식은 송신장치와 수신장치 간의 지속적인 정보교환과 반복 과정을 통하여 원하는 간섭 정렬 빔포밍 행렬을 생성하므로, 이러한 반복이 발생하는 동안 단 한 명의 사용자라도 무선 채널 환경이 변하게 되면 더 이상 원하는 간섭 정렬 기법을 사용할 수 없게 된다. 또한 기존 방식이 빔포밍 행렬을 생성하는 반복 과정 동안 채널이 변하지 않는다고 하더라도 채널이 변할 때 마다 그 값을 피드백 (feedback)받아서 다시 반복 과정을 수행해야 하기 때문에 그 복잡도와 수렴 시간은 커지게 된다. On the other hand, the conventional interference alignment scheme generates a desired interference alignment beamforming matrix through continuous information exchange and repetition process between the transmitter and the receiver, so that even if only one user changes the wireless channel environment during such repetition, The desired interference alignment technique can no longer be used. In addition, even if the channel does not change during the repetition process of generating the beamforming matrix, the complexity and convergence time become large because the repetition process is performed by receiving feedback of the value every time the channel is changed.
따라서, 제안되는 실시예에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 채널이 변한 수신장치(300)가 누적된 채널 변화량만을 송신장치(200)에게 피드백하고, 송신장치(200)는 피드백된 부분적인 정보, 즉, 누적된 채널 변화량을 이용하여 빔포 밍 행렬을 적응적으로 변화시켜 설계할 수 있다. Therefore, in the proposed embodiment, in order to solve this problem, the
수신부(212)는 복수의 수신장치들(Rx1 , …, RxK)로부터 누적된 채널 변화량을 수신할 수 있다. 이하에서는, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 누적된 채널 변화량을 수신하는 경우에 대해 설명한다. 채널 변화량은 적어도 하나의 수신장치(Rx1 , …, RxK)와 복수의 송신장치들(Tx1 , …, TxK) 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다. The
수신부(212)가 누적된 채널 변화량을 수신하는 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전에 산출된 또는 이전에 사용된 빔포밍 행렬과 누적된 채널 변화량을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 누적된 채널 변화량을 적용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.When the
이에 대한 자세한 설명은 [수학식 9] 내지 [수학식 12]를 참조하여 설명한다.Detailed description thereof will be described with reference to [Equation 9] to [Equation 12].
예를 들어, 인 경우, 첫 번째 수신장치(300)에 해당하는 채널이 변하여, 첫 번째 수신장치(300)는 채널 변화량에 해당하는 행렬을 송신장치(200)로 피드백할 수 있다. E.g, In this case, the channel corresponding to the
채널 변화량이 업데이트되기 전의 채널 행렬 는 [수학식 9]와 같이 표현할 수 있다. 수신장치(300)는 새로운 간섭 정렬을 위한 빔형성 행렬을 구하기 위하여 채널 변화량에 따라 업데이트된 채널 행렬 을 구성하여 송신장치(200)에게 피 드백할 수 있으며, 업데이트된 채널 행렬 는 [수학식 10]으로 나타낼 수 있다.Channel matrix before the channel change is updated Can be expressed as shown in [Equation 9]. The
여기서, , 는 각각 두 번째 및 세 번째 송신장치(Tx2, Tx3)와 첫 번째 수신장치(300)와의 채널 변화량을 나타내는 행렬이다. 이러한 경우, 기존의 방식에서는 을 이용하여 새로운 빔형성 행렬을 처음부터 다시 구해야 하기 때문에 복잡도가 증가하고 이로 인하여 수렴 속도가 느려질 수 있다는 단점이 있다.here, , Is a matrix representing the channel change amount between the second and third transmitters Tx2 and Tx3 and the
제안되는 실시예는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 송신장치(200)의 빔포밍 행렬 생성부(214)는 업데이트된 채널 행렬 을 가지고 [수학식 6]을 만족하는 빔형성 행렬을 만들기 위해, 의 가장 큰 고유값에 해당하는 고유 벡터를 구할 수 있다.The proposed embodiment solves this problem, and the
따라서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이러한 과정을 통하여 구해진 에 'devec' 연산을 적용하여 다시 송신장치들(Tx1, …, TxK)에서의 빔포밍 행렬 을 생성할 수 있다. 을 구하기 위해서는 사이즈의 역 행렬 계산 과정이 필요하다. 이는 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.Accordingly, the
여기서, 이다. here, to be.
빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 11]을 사용하는 경우 발생하는 복잡도를 줄이기 위하여, 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 누적된 채널 변화량을 적용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전에 구한 정보를 이용하여 훨씬 적은 복잡도로 을 근사하여 최적 빔포밍 행렬의 근사해를 구할 수 있으며 이를 수식으로 나타내면 [수학식 12]와 같다.The
따라서, 제안한 방식을 이용하면 을 구하기 위하여 역 행렬 계산과 행렬의 곱셈에 대한 계산량만을 필요로 하므로 이전의 방식에 비해 복잡도를 감소시킬 수 있으며 이로 인하여 실제 구현에 있어 보다 효율적임을 알 수 있다. Therefore, using the proposed method To save Since only the amount of computation for the inverse matrix calculation and the multiplication of the matrix is required, the complexity can be reduced compared to the previous method, which is more efficient for the actual implementation.
따라서, 제안되는 실시예에 따르면, 사용자의 채널이 변화는 시변 채널에서, 간섭 정렬은 을 업데이트 한 후 power method를 이용하여 의 가장 큰 고유값에 해당하는 고유 벡터를 산출하고, 산출된 고유 벡터를 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다. Therefore, according to the proposed embodiment, the user's channel is changed in the time-varying channel, the interference alignment is After updating, use the power method An eigenvector corresponding to the largest eigenvalue of may be calculated, and the calculated eigenvector may be used as a beamforming matrix.
상술한 실시예에 의하면, Power method에서 구하고자 하는 고유 벡터의 초기값으로 처음에는 도 3에 도시된 바와 같이 임의의 초기값 을 이용하지만 그 다음부터는 초기값으로서 이전에 구한 고유벡터를 이용할 수 있다. According to the above-described embodiment, the initial value of the eigenvector to be obtained by the Power method is initially an arbitrary initial value as shown in FIG. After that, we can use the eigenvector we found earlier as the initial value.
도 3은 시변 채널에 따라 적응적으로 구해지는 간섭 정렬을 위한 빔포밍 행렬을 구하는 과정을 시간의 변화와 각 시간에서의 반복 수행과정으로 구분하여 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 시간의 변화는 빔 행렬의 갱신 인덱스이며, 반복 수행 과정은 반복 최소 자승법의 반복 인덱스를 의미한다.FIG. 3 is a diagram illustrating a process of obtaining a beamforming matrix for interference alignment adaptively obtained according to a time-varying channel, divided into a change of time and a repetitive process at each time. Referring to FIG. 3, a change in time is an update index of a beam matrix, and an iterative process means an iteration index of an iterative least square method.
또한, 상술한 실시예에서는 첫 번째 수신장치의 이동 속도가 빠르고, 나머지 수신장치는 상대적으로 이동 속도가 느리다는 가정하에, [수학식 10]과 같이 첫 블록행만 변하는 경우를 고려하였다. 그러나, 다른 수신장치의 채널 역시 변하는 경우에는 상술한 [수학식 9] 내지 [수학식 12]의 과정을 반복적으로 적용하여 채널 변화에 따른 송신 빔 행렬을 구할 수 있다.In addition, in the above-described exemplary embodiment, only the first block row is changed as shown in Equation 10 on the assumption that the moving speed of the first receiving device is fast and the remaining receiving devices are relatively slow. However, when the channels of other receivers are also changed, the transmission beam matrix according to the channel change can be obtained by repeatedly applying the above-described equations [9] to [12].
또한, 상술한 실시예에 따르면, 수신장치(300)는 채널 변화 정보만 피드백하므로, 모든 채널 정보를 피드백 하는 경우에 비하여 피드백 정보량을 감소시킬 수 있다.In addition, according to the above-described embodiment, since the
도 4는 제안되는 실시예에 따른 수신장치를 도시한 블록도이다.4 is a block diagram illustrating a receiving apparatus according to a proposed embodiment.
도 4에 도시된 수신장치(300)는 도 1에 도시된 수신장치들 중 어느 하나일 수 있다. 도 4를 참조하면, 수신장치(300)는 수신부(312), 채널 디코더(314), 채널 추정부(316) 및 피드백부(318)를 포함할 수 있다.The
수신부(312)는 기설정된 간섭 정렬 설계 순서에 따라서 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 전송된 신호들을 수신할 수 있다. 간섭 정렬 설계 순서는 송신장치들(Tx1, …, TxK)가 간섭 정렬을 수행하기 위해 전송하기 위한 신호를 순차적으로 전송하는 순서를 포함할 수 있다. 수신부(312)가 수신한 신호는 하나의 안테나를 통해 전송되는 신호, 혹은 복수의 안테나를 통해 전송되는 빔포밍된 신호일 수 있으며, 신호의 일 예로는 파일럿 신호(Pilot Signal)를 들 수 있다.The
채널 디코더(314)는 수신된 신호를 빔포밍 디코딩하고, 수신장치(300)에 대응되는 송신장치(200)로부터 전송된 데이터를 채널 디코딩한다. 여기서, 채널 디코딩을 위해 이용되는 알고리즘은 송신장치(200)에서 사용된 채널 코딩 알고리즘에 대응되고, 디코딩 알고리즘의 일 예로는 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘을 들 수 있다.The
채널 추정부(316)는 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 수신된 신호들을 이용하여 송신장치들(Tx1, …, TxK)과 수신장치들(Rx1, …, RxK) 간의 채널 행렬을 추정하고, 추정된 채널 행렬로부터 누적된 채널 변화량을 산출할 수 있다. 예를 들어, 채널 추정부(316)는 송신장치(200)로부터 신호가 수신될 때마다 채널의 변화가 있는지 확인하고, 채널의 변화량을 누적할 수 있다. 또한, 채널 추정부(316)는 채 널 추정에 의해, [수학식 9] 및 [수학식 10]과 같은 채널 행렬을 구성할 수 있다. 채널 추정에 이용되는 알고리즘의 일 예로는 Maximum Likelyhood Channel Estimation을 들 수 있으며, 채널 추정 알고리즘은 이미 잘 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.The
피드백부(318)는 채널 추정부(316)에서 산출된 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 작으면 누적된 채널 변화량을 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다. 또한, 피드백부(318)는 채널 추정부(316)에서 산출된 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값 이상이면 추정된 채널 정보를 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다. 후자의 경우, 누적된 채널 변화량이 △H이고, 추정된 채널 정보가 H이면, 피드백부(318)는 H'=H+△H를 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다.The
이하, 상기와 같이 구성된 송신장치의 간섭 정렬 방법과 수신장치의 동작 방법을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the interference alignment method of the transmitter and the operation method of the receiver configured as described above will be described with reference to the accompanying drawings.
도 5는 제안되는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating an interference alignment method of a transmitting apparatus according to a proposed embodiment.
51단계에서, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 전체 채널 정보를 수신하면, 52단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 빔포밍 정렬을 위한 상관계수(), 수신부(212)를 통해 수신되는 전체 채널 정보 및 초기 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 초기값이 주어진 상관계수()를 이용하여 빔포밍 행렬을 생성하고, 생성된 빔포밍 행렬을 이용하여 상관계수()를 재산출하는 연산을 반복적으로 수행하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 또한, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 Power method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다. In operation 51, when the
53단계에서, 전송부(218)는 52단계에서 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 수신장치(300)에게 전송할 수 있다. In operation 53, the
한편, 54단계에서, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 누적된 채널 변화량을 수신하면, 55단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전의 빔포밍 행렬과 수신된 누적된 채널 변화량을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma) 및 Power method를 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.In operation 54, when the
그리고, 53단계에서, 전송부(218)는 55단계에서 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 수신장치(300)에게 전송할 수 있다. In operation 53, the
도 6은 도 5에 도시된 52단계를 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 6 is a flowchart for describing operation 52 of FIG. 5 in detail.
간섭 정렬 과정을 설명하기 위한 도 6을 참조하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 각각의 송신장치에서 수신장치까지의 MIMO 채널 행렬 을 각 수신장치(Rx1, …, RxK)으로부터 수신하여 알고 있으며, 의 초기값을 라 가정한다. 또한, 시스템의 성능에 적합한 총 반복 횟수 와 빔포밍 행렬들로 이루어진 벡터 의 수렴성을 알아보는 Tol이라는 변수가 사용자에 의해 정의되어 있을 수 있다.Referring to FIG. 6 for explaining the interference alignment process, the
61단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 초기값이 주어진 상관계수 , 및 [수학식 1] ~ [수학식 5]를 이용하여 행렬을 구성할 수 있다.In
62단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 6]을 만족하는 벡터 을 산출한 후, 산출된 를 로 저장하고, 63단계에서 'devec' 연산을 통하여 다시 송신장치들(Tx1, …, TxK)에서의 빔포밍 행렬 을 생성할 수 있다. In
64단계에서, 빔포밍 행렬을 구하기 위하여 와 를 산출하는 과정의 반복 횟수가 기설정된 보다 작으면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 75단계에서 이전 반복 과정에서 산출된 와 현재의 와 차이(즉, 변화량)에 대한 평균을 이용하여 error를 산출할 수 있다. 65단계에서, 초기 반복인 경우, error는 ∞로 가정한다. In
66단계에서, 산출된 error가 기설정된 에러 한정 값인 Tol보다 크면, 67단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 현재 구한 와 [수학식 7]을 이용하여 을 산출할 수 있다. In
68단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 반복횟수를 '1'만큼 증가시키고, 상술한 과정을 반복할 수 있다. 반복과정동안, 64단계에서 반복횟수가 를 초과하거나 66단계에서 산출된 error가 Tol보다 작게 되면, 69단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 반복과정을 정지하고, 가장 최근에 구한 빔포밍 행렬()을 최적 빔포밍 행렬로 정한 후, 간섭 정렬 기술을 수행할 수 있다.In
제안되는 실시예에 의하면, 적은 반복 횟수에 의해 빔포밍 행렬을 생성하여 도 기존의 간섭 정렬 기술에 비해 빠른 성능 향상과 high SNR을 보여주고 있다. 즉, 제안된 방식을 이용할 경우에는 수렴 속도가 빠르기 때문에, 복잡도 및 연산에 따른 시간 지연을 감소함에도 불구하고 성능이 우수한 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 또한, 제안되는 실시예는 high SNR 또는 high SINR에 대해 효율적이며, low SNR 또는 low SINR을 위한 알고리즘과 병합하여 송신장치 및 수신장치에 적용될 수 있음은 물론이다.According to the proposed embodiment, the beamforming matrix is generated with a small number of iterations, which shows a faster performance improvement and higher SNR than the conventional interference alignment technique. In other words, when the proposed scheme is used, the convergence speed is high, and thus a beamforming matrix having excellent performance can be generated despite the reduction in complexity and time delay caused by the calculation. In addition, the proposed embodiment is effective for high SNR or high SINR and can be applied to a transmitter and a receiver in combination with an algorithm for low SNR or low SINR.
도 7은 제안되는 실시예에 따른 수신장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.7 is a flowchart for explaining a method of operating a receiving apparatus according to an exemplary embodiment.
71단계에서, 수신부(312)가 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 빔포밍된 신호를 수신하면, 72단계에서 채널 추정부(316)는 수신된 신호들을 이용하여 송신장치(200)와 수신장치들(Rx1, …, RxK) 간의 채널 행렬을 추정할 수 있다.In
73단계에서, 추정 결과 이전에 수신된 채널에 비해 변화가 있으면, 74단계에서, 채널 추정부(316)는 추정된 채널 행렬로부터 [수학식 10]과 같이 누적된 채널 변화량을 산출할 수 있다.In
75단계에서, 피드백부(318)는 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값 이상이면 76단계에서, 추정된 전체 채널 정보를 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다.In
한편, 75단계에서, 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 작으면 77단계에서, 피드백부(318)는 누적된 채널 변화량을 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다. In
상술한 제안되는 실시예에 따르면, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 일반적인 동작 구간에서는 5회 정도의 반복만으로도 안정적인 성능을 보장할 수 있으므로, 수렴시간은 크게 고려하지 않을 수 있다. 따라서 시변 채널환경에서 채널이 변한 각 수신장치가 이전 시간과 현재 시간에서의 채널 변화량을 확인하고, 이를 피드백하면, 송신장치(200)는 피드백된 채널 변화량을 이용하여 간단하게 간섭 정렬 기술을 사용할 수 있다. 또한 간섭 정렬 기술을 사용하는 사용자들 중 여러 명의 채널이 변할 때에도 제안되는 실시예를 사용자들에게 순차적으로 적용할 수 있다. According to the above-described proposed embodiment, as described with reference to FIG. 3, since the stable performance can be ensured by only five repetitions in the general operation section, the convergence time may not be greatly considered. Therefore, when each receiving device whose channel is changed in the time-varying channel environment checks the channel change amount at the previous time and the current time and feeds it back, the
제안되는 실시예에 의하면, 제안된 시변 채널에서의 적응형 간섭 정렬 기술과 비적응형 간섭 정렬 기술을 사용하였을 경우, 간단한 연산만으로도 큰 성능이득(sum-throughput(bps/Hz))을 얻을 수 있다. 또한 을 [수학식 12]와 같은 과정으로 근사하여 구하는 과정에서 생긴 성능 열화는 SNR이 25dB이하에서는 크지 않음을 알 수 있다.According to the proposed embodiment, when the adaptive interference alignment technique and the non-adaptive interference alignment technique in the proposed time-varying channel are used, a large performance gain (sum-throughput (bps / Hz)) can be obtained by simple calculation. . Also It can be seen that the performance degradation resulting from the approximation of Equation (12) is not significant when the SNR is less than 25 dB.
한편, 제안되는 다른 실시예에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 5]를 만족하는 빔포밍 행렬을 생성하기 어려운 경우, [수학식 13]을 이용하여 [수학식 5]의 빔포밍 행렬의 근사해인 를 구할 수 있다. [수학식 13]은 각 송신장치에 대해 개별적으로 전력을 제한(individual power constraint)하는 간섭 정렬 알고리즘이다.Meanwhile, according to another proposed embodiment, when the
단, only,
[수학식 6]은 [수학식 5]를 만족하는 근사해를 Power Method를 이용하여 구하는 식인 반면, [수학식 13]은 을 만족하는 조건에서 를 산출한다. 조건 은 각 송신장치, 예를 들어, 각 기지국에서 사용하는 전력이 모두 1이 되도록 하는 것을 의미한다. 은 번째 사용자의 m번째 전송 심볼 스트림을 위한 빔포밍을 추출하는 대각 행렬(Diagonal Matrix)이다. 은 1(one)과 0(zero) 성분을 포함할 수 있다. [Equation 6] is an equation that calculates an approximate solution satisfying [Equation 5] using the Power Method, while [Equation 13] is Under conditions Calculate Condition Means that the power used by each transmitting apparatus, for example, each base station is all one. silver A diagonal matrix extracting beamforming for the m th transmission symbol stream of the first user. May include 1 and 0 components.
이하에서는 [수학식 13]을 만족하거나 근사하는 빔포밍 행렬을 구하는 방법에 대해 설명한다. 먼저, MIMO 채널 행렬인 은 주어진다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 5]와 같은 를 구하고, 의 세트 (예를 들어, )를 구한다.Hereinafter, a method of obtaining a beamforming matrix that satisfies or approximates Equation 13 will be described. first, MIMO channel matrix Is given. The
그리고, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 를 최소화하는 에서 를 산출하고, 산출된 를 이용하여 를 생성하며, 생성된 를 vectorize하여 를 획득할 수 있다. 이로써, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 개별 전력 제어가 가능한 간섭 정렬 알고리즘을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.The
한편, 제안되는 다른 실시예에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 14]를 만족하는 근사해를 산출하여 최적 빔포밍 행렬로 정할 수 있다. [수학식 14]는 각 송신장치에 대해 개별적으로 전력을 제한(individual power constraint)하면서 원하는 신호 전력을 사용(incorporating desired signal power)하도록 하는 간섭 정렬 알고리즘이다.Meanwhile, according to another proposed embodiment, the
[수학식 14]에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 을 만족하는 조건에서 를 산출한다. 여기서, 이며, 이다. [수학식 14]에서 제안하는 알고리즘을 사용하는 경우, low SNR 또는 low SINR에 대해 효과적일 수 있다.According to Equation 14, the
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단 독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.Methods according to an embodiment of the present invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. singly or in combination. Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.
도 1은 간섭 정렬 기술을 사용하는 통신 시스템을 도시한 도면,1 illustrates a communication system using an interference alignment technique;
도 2는 제안되는 실시예에 따른 송신장치 및 수신장치를 도시한 블록도,2 is a block diagram showing a transmitter and a receiver according to the proposed embodiment;
도 3은 시변 채널에 따라 적응적으로 구해지는 간섭 정렬을 위한 빔포밍 행렬을 구하는 과정을 시간의 변화와 각 시간에서의 반복 수행과정으로 구분하여 보여주는 도면,FIG. 3 is a diagram illustrating a process of obtaining a beamforming matrix for interference alignment adaptively obtained according to a time-varying channel, divided into a change of time and an iterative process at each time. FIG.
도 4는 제안되는 실시예에 따른 수신장치를 도시한 블록도,4 is a block diagram showing a receiving apparatus according to a proposed embodiment;
도 5는 제안되는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법을 설명하기 위한 흐름도,5 is a flowchart illustrating an interference alignment method of a transmitter according to an embodiment of the present disclosure;
도 6은 도 5에 도시된 52단계를 구체적으로 설명하기 위한 흐름도, 그리고,FIG. 6 is a flowchart for describing in detail step 52 illustrated in FIG. 5, and
도 7은 제안되는 실시예에 따른 수신장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.7 is a flowchart for explaining a method of operating a receiving apparatus according to an exemplary embodiment.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
200 : 송신장치 212 : 수신부200: transmitter 212: receiver
214 : 빔포밍 행렬 생성부 216 : 채널 인코더214: beamforming matrix generator 216: channel encoder
218 : 전송부 300 : 수신장치218: transmitter 300: receiver
312 : 수신부 314 : 채널 디코더312: receiver 314: channel decoder
316 : 채널 추정부 318 : 피드백부316: channel estimation unit 318: feedback unit
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