WO2022097841A1

WO2022097841A1 - Method and apparatus for transmission and power allocation in multi-user downlink system that compensates for distortion of nonlinear power amplifier

Info

Publication number: WO2022097841A1
Application number: PCT/KR2021/000050
Authority: WO
Inventors: 박현철; 지정주; 권기림
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-05-12
Also published as: KR102388683B1

Abstract

A method and an apparatus for transmission and power allocation in a multi-user downlink system that compensates for distortion of a nonlinear power amplifier are provided. A transmitting apparatus in a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier is applied according to one embodiment comprises: a power allocation apparatus that allocates power by adjusting transmission power; and a beamforming optimization apparatus that optimizes a precoding vector to optimize beamforming on the basis of the allocated power, wherein distortion of the nonlinear power amplifier can be compensated by optimizing the precoding vector.

Description

비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상하는 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 및 전력 할당 방법 및 장치Method and apparatus for transmitting and allocating power in a multi-user downlink system for compensating for distortion of a nonlinear power amplifier

아래의 실시예들은 다중 안테나 통신 시스템의 송신 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상하는 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 및 전력 할당 방법 및 장치에 관한 것이다. The following embodiments relate to a transmission method of a multi-antenna communication system, and more particularly, to a method and apparatus for transmitting and allocating power in a multi-user downlink system for compensating for distortion of a nonlinear power amplifier.

통신 시스템의 RF 체인(Radio Frequency chain)을 구성하는 디바이스 중 전력 증폭기는 송신 신호가 수신기에 전달되도록 출력 신호를 증폭시키는 역할을 한다. 전력 증폭기의 입력-출력 관계는 일반적으로 비선형 관계를 가지며, 일반적으로 증폭 이득이 크고 전력 효율이 높은 전력 증폭기일수록 비선형 특성이 심화되는 경향성을 가진다.Among devices constituting an RF chain (Radio Frequency chain) of a communication system, a power amplifier serves to amplify an output signal so that a transmission signal is transmitted to a receiver. The input-output relationship of a power amplifier generally has a non-linear relationship, and in general, a power amplifier having a large amplification gain and high power efficiency tends to have a more severe non-linear characteristic.

다중 안테나 시스템에 적용된 전력 증폭기의 비선형성은 각 안테나에서 출력되는 신호의 크기를 서로 다른 이득을 가지도록 왜곡시켜 빔 형성 결과를 왜곡시키고 수신 신호의 크기를 감소시키며, 발생하는 왜곡 신호를 증가시킨다.The nonlinearity of the power amplifier applied to the multi-antenna system distorts the size of the signal output from each antenna to have a different gain, thereby distorting the beamforming result, reducing the size of the received signal, and increasing the generated distortion signal.

다중 사용자 시스템에서는 각 사용자로 전송되는 스트림(stream) 간 간섭이 발생하며, 이러한 간섭을 제어하는 것이 중요한 문제이다. 뿐만 아니라, 비선형 다중 안테나 시스템에서는 비선형성으로 인한 추가적인 왜곡이 발생하여 스트림 간 간섭과 왜곡 현상을 동시에 조절해야 한다. In a multi-user system, interference between streams transmitted to each user occurs, and controlling such interference is an important issue. In addition, in a nonlinear multi-antenna system, additional distortion due to nonlinearity occurs, and inter-stream interference and distortion must be simultaneously controlled.

따라서 전력 증폭기의 비선형성을 반영한 전송 기법 및 전력 할당 기법의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a transmission technique and a power allocation technique that reflect the nonlinearity of the power amplifier.

미국공개특허 US20160142922호는 이러한 Transceiver Architecture for Multiple Antenna Systems(다중 안테나 시스템을 위한 송수신기 설계)에 관한 것으로, OFDM 채널환경에서 피드백 정보를 이용하여 송수신 빔포머를 따로 설계하는 기술을 기재하고 있다.US Patent Publication No. US20160142922 relates to such a Transceiver Architecture for Multiple Antenna Systems (transceiver design for a multiple antenna system), and describes a technique for separately designing a transmission/reception beamformer using feedback information in an OFDM channel environment.

실시예들은 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상하는 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 및 전력 할당 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 프리코딩 최적화 과정과 전력 할당 과정을 반복하는 과정으로 이루어져, 프리코딩 최적화 과정은 왜곡 신호 값을 예상하여 프리코딩 행렬을 업데이트하며, 전력 할당 과정에서는 비선형 하향 링크 시스템의 합계 전송 속도를 최대화하는 방향으로 전력 할당 결과를 업데이트하는 기술을 제공한다. The embodiments describe a method and apparatus for transmitting and allocating power in a multi-user downlink system for compensating for distortion of a nonlinear power amplifier. More specifically, the precoding optimization process consists of repeating the precoding optimization process and the power allocation process. The process updates the precoding matrix in anticipation of the distortion signal value, and the power allocation process provides a technique for updating the power allocation result in the direction of maximizing the total transmission rate of the nonlinear downlink system.

실시예들은 프리코딩과 전력 할당 방법을 통해 두 값을 반복적으로 업데이트함으로써, 비선형성으로 인해 발생하는 다중 사용자 시스템의 간섭과 왜곡 문제를 해결하고, 전력을 적절하게 할당하여 네트워크 전송 속도를 최대화 할 수 있는, 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상하는 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 및 전력 할당 방법 및 장치를 제공하는데 있다. The embodiments solve the problem of interference and distortion in multi-user systems caused by nonlinearity by repeatedly updating the two values through precoding and power allocation methods, and maximize network transmission speed by properly allocating power. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for transmitting and allocating power in a multi-user downlink system for compensating for distortion of a nonlinear power amplifier.

일 실시예에 따른 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 장치는, 송신 전력을 조절하여 전력을 할당하는 전력 할당 장치; 및 할당된 상기 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하기 위해 프리코딩 벡터를 최적화하는 빔포밍 최적화 장치를 포함하고, 상기 프리코딩 벡터를 최적화하여 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상할 수 있다. According to an embodiment, a transmitting apparatus of a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier is applied includes: a power allocating apparatus for allocating power by adjusting transmit power; and a beamforming optimization apparatus for optimizing a precoding vector to optimize beamforming based on the allocated power, and may compensate for distortion of the nonlinear power amplifier by optimizing the precoding vector.

상기 전력 할당 장치와 상기 빔포밍 최적화 장치를 교번하여 반복적으로 사용하여, 전력 할당 결과와 프리코딩 벡터를 업데이트할 수 있다. The power allocation result and the precoding vector may be updated by alternately and repeatedly using the power allocation apparatus and the beamforming optimization apparatus.

상기 전력 할당 장치는, 전송 속도를 최대화하는 방향으로 반복적으로 전력을 업데이트할 수 있다.The power allocator may repeatedly update power in a direction to maximize the transmission rate.

상기 전력 할당 장치는, 정상성 조건(stationarity condition)으로부터 전력 업데이트 공식(power update equation)을 유도하고, 상기 전력 업데이트 공식을 통해 전력 할당 결과를 업데이트하는 과정과 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)를 업데이트하는 과정을 반복할 수 있다. The power allocator derives a power update equation from a stationarity condition, updates a power allocation result through the power update equation, and updates a Lagrangian multiplier can be repeated.

상기 전력 할당 장치는, 주어진 라그랑주 승수로부터 각 사용자에 대해 전력 할당 벡터를 업데이트하는 전력 할당 벡터 업데이트부; 상기 전력 할당 벡터 기반의 전력 할당 결과의 합을 계산하는 총 전력 계산부; 및 상기 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 통해 라그랑주 승수를 업데이트하고, 상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최소값에 대입하고, 상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하지 않는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최대값에 대입하는 라그랑주 승수 업데이트부를 포함하여 이루어질 수 있다. The power allocation apparatus may include: a power allocation vector update unit configured to update a power allocation vector for each user from a given Lagrange multiplier; a total power calculation unit for calculating a sum of power allocation results based on the power allocation vector; and updating the Lagrange multiplier through the minimum and maximum values of the Lagrange multipliers, and when the sum of the power allocation results exceeds a power constraint condition, substituting the Lagrange multipliers into the minimum value, and the sum of the power allocation results is the power constraint When the condition is not exceeded, a Lagrange multiplier update unit for substituting the Lagrange multiplier into a maximum value may be included.

상기 빔포밍 최적화 장치는, 모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 안테나 할당 전력 계산부; 계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 선형 계수 계산부; 상기 선형 계수 기반의 비선형성으로 인한 왜곡 현상을 각 사용자의 상기 프리코딩 벡터에 대한 비선형 함수로 근사화하는 비선형 함수 근사부; 및 상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 파라미터를 이용하여 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 프리코딩 벡터 업데이트부를 포함할 수 있다. The apparatus for optimizing beamforming includes: an antenna allocation power calculator configured to calculate power allocated to all antennas; a linear coefficient calculator for calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power; a nonlinear function approximation unit for approximating a distortion phenomenon due to the nonlinearity based on the linear coefficients to a nonlinear function with respect to the precoding vector of each user; and a precoding vector updater configured to update the precoding vector by using a parameter calculated through approximation of the nonlinear function.

여기서, 상기 비선형 함수를 근사화하기 이전에, 상기 프리코딩 벡터를 임의로 변형한 후, 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부를 더 포함하고, 상기 왜곡 신호 값을 계산하여 상기 비선형 함수를 근사화할 수 있다. Here, before approximating the nonlinear function, and after arbitrarily transforming the precoding vector, the method further comprises a precoding transformation value and an expected distortion signal value calculator for calculating an expected distortion signal value, and calculating the distortion signal value Thus, the nonlinear function can be approximated.

또한, 상기 빔포밍 최적화 장치는, 모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 안테나 할당 전력 계산부; 계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 선형 계수 계산부; k 번째 사용자의 상기 프리코딩 벡터의 변형 값을 계산하고, 계산된 상기 프리코딩 벡터의 변형 값으로부터 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부; 상기 프리코딩 벡터의 변형 값과 왜곡 신호 값으로부터 최소제곱법(least square solution)을 계산하여 다항함수로 근사화하는 비선형 함수 근사부; 및 상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 다항식 파라미터를 행렬로 정렬하고, 다항식 파라미터의 상기 행렬로부터 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 프리코딩 벡터 업데이트부를 포함할 수 있다.In addition, the apparatus for optimizing beamforming includes: an antenna allocation power calculator configured to calculate power allocated to all antennas; a linear coefficient calculator for calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power; a precoding transformation value and predicted distortion signal value calculator for calculating a distortion value of the precoding vector of a k-th user and calculating an expected distortion signal value from the calculated transformation value of the precoding vector; a nonlinear function approximator for calculating a least squares solution from the distortion value of the precoding vector and the distortion signal value and approximating it to a polynomial function; and a precoding vector update unit that aligns a polynomial parameter calculated through approximation of the nonlinear function into a matrix and updates the precoding vector from the matrix of polynomial parameters.

다른 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 방법은, 송신 전력을 조절하여 전력을 할당하는 단계; 및 할당된 상기 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하기 위해 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계를 포함하고, 상기 프리코딩 벡터를 최적화하여 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상할 수 있다. According to another embodiment, a transmission method of a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier implemented by a computer device is applied includes: allocating power by adjusting transmission power; and optimizing a precoding vector to optimize beamforming based on the allocated power, wherein the precoding vector may be optimized to compensate for distortion of the nonlinear power amplifier.

상기 전력을 할당하는 단계와 상기 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계를 교번하여 반복적으로 수행하여, 전력 할당 결과와 프리코딩 벡터를 업데이트할 수 있다. By alternately performing the allocating power and optimizing the precoding vector, the power allocation result and the precoding vector may be updated.

상기 전력을 할당하는 단계는, 정상성 조건(stationarity condition)으로부터 전력 업데이트 공식(power update equation)을 유도하고, 상기 전력 업데이트 공식을 통해 전력 할당 결과를 업데이트하는 과정과 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)를 업데이트하는 과정을 반복할 수 있다. The allocating power may include deriving a power update equation from a stationarity condition, updating a power allocation result through the power update equation, and updating a Lagrangian multiplier. the process can be repeated.

상기 전력을 할당하는 단계는, 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)의 최소값 및 최대값을 초기화하는 단계; 상기 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 통해 라그랑주 승수를 업데이트하는 단계; 주어진 상기 라그랑주 승수로부터 각 사용자에 대해 전력 할당 벡터를 업데이트하는 단계; 상기 전력 할당 벡터 기반의 전력 할당 결과의 합을 계산하는 단계; 및 상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최소값에 대입하고, 상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하지 않는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최대값에 대입하는 단계를 포함할 수 있다. The allocating power may include: initializing a minimum value and a maximum value of a Lagrangian multiplier; updating the Lagrange multiplier through the minimum and maximum values of the Lagrange multiplier; updating a power allocation vector for each user from the given Lagrange multiplier; calculating a sum of power allocation results based on the power allocation vector; and when the sum of the power allocation results exceeds a power constraint, the Lagrange multiplier is substituted into a minimum value, and when the sum of the power allocation results does not exceed the power constraint, the Lagrange multiplier is substituted into a maximum value. may include steps.

상기 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계는, 모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 단계; 계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 단계; 상기 선형 계수 기반의 비선형성으로 인한 왜곡 현상을 각 사용자의 상기 프리코딩 벡터에 대한 비선형 함수로 근사화하는 단계; 및 상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 파라미터를 이용하여 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 단계를 포함할 수 있다. The optimizing the precoding vector may include calculating power allocated to all antennas; calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power; approximating the distortion phenomenon due to the nonlinearity based on the linear coefficients with a nonlinear function for the precoding vector of each user; and updating the precoding vector using a parameter calculated through approximation of the nonlinear function.

여기서, 상기 비선형 함수로 근사화하기 이전에, 상기 프리코딩 벡터를 임의로 변형한 후, 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 왜곡 신호 값을 계산하여 상기 비선형 함수를 근사화할 수 있다. Here, before approximating to the nonlinear function, the method may further include calculating an expected distortion signal value after arbitrarily transforming the precoding vector, and calculating the distortion signal value to approximate the nonlinear function .

또한, 상기 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계는, 모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 단계; 계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 단계; k 번째 사용자의 상기 프리코딩 벡터의 변형 값을 계산하는 단계; 계산된 상기 프리코딩 벡터의 변형 값으로부터 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 단계; 상기 프리코딩 벡터의 변형 값과 왜곡 신호 값으로부터 최소제곱법(least square solution)을 계산하여 다항함수로 근사화하는 단계; 상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 다항식 파라미터를 행렬로 정렬하는 단계; 및 다항식 파라미터의 상기 행렬로부터 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, optimizing the precoding vector may include calculating power allocated to all antennas; calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power; calculating a transformation value of the precoding vector of a k-th user; calculating an expected distortion signal value from the calculated transformation value of the precoding vector; calculating a least square solution from the distortion value of the precoding vector and the distortion signal value and approximating it to a polynomial function; arranging a polynomial parameter calculated through approximation of the nonlinear function into a matrix; and updating the precoding vector from the matrix of polynomial parameters.

실시예들에 따르면 프리코딩과 전력 할당 방법을 통해 두 값을 반복적으로 업데이트함으로써, 비선형성으로 인해 발생하는 다중 사용자 시스템의 간섭과 왜곡 문제를 해결하고, 전력을 적절하게 할당하여 네트워크 전송 속도를 최대화 할 수 있는, 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상하는 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 및 전력 할당 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to embodiments, by repeatedly updating two values through precoding and power allocation method, interference and distortion problems in a multi-user system caused by nonlinearity are solved, and power is appropriately allocated to maximize network transmission speed It is possible to provide a method and apparatus for transmitting and allocating power in a multi-user downlink system for compensating for distortion of a nonlinear power amplifier.

도 1은 일 실시예에 따른 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 안테나 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining the concept of a multi-antenna system to which a nonlinear power amplifier is applied according to an embodiment.

도 2는 일 실시예에 따른 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 안테나 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a configuration of a multi-antenna system to which a nonlinear power amplifier is applied according to an embodiment.

도 3은 일 실시예에 따른 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 방법을 나타내는 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating a transmission method of a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier is applied according to an embodiment.

도 4는 일 실시예에 따른 전력을 할당하는 방법을 나타내는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of allocating power according to an embodiment.

도 5는 일 실시예에 따른 프리코딩 벡터를 최적화하는 방법을 나타내는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of optimizing a precoding vector according to an embodiment.

도 6은 일 실시예에 따른 전송 방법을 통한 네트워크 전체 합계 전송 속도 성능 측정 결과를 나타낸다.6 illustrates a result of measuring the overall total transmission speed performance of a network through a transmission method according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description.

아래의 실시예들은 송신기에 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 다중 안테나(Multi-User Multiple Input Multiple Output, MU-MIMO) 통신 시스템을 고려한다.The following embodiments consider a multi-user multiple input multiple output (MU-MIMO) communication system in which a nonlinear power amplifier is applied to a transmitter.

전력 증폭기의 비선형성은 다중 안테나의 안테나 별 출력 신호에 서로 다른 증폭 이득을 발생시켜 빔 형성 결과를 왜곡하여, 수신기에서 수신되는 신호의 크기를 감쇠시키고 왜곡 신호의 크기를 증가시킨다.The nonlinearity of the power amplifier generates different amplification gains in the output signals of each antenna of the multiple antennas and distorts the beamforming result, thereby attenuating the magnitude of the signal received at the receiver and increasing the magnitude of the distortion signal.

전력 효율적인 다중 안테나 시스템의 설계를 위해서는 증폭 이득이 강한 대신 비선형성이 강한 전력 증폭기가 도입되어야 하며, 이로 인해 발생하는 신호 왜곡을 보상할 수 있는 신호 처리 및 전력 할당 기법이 필요하다.In order to design a power-efficient multi-antenna system, a power amplifier having a strong nonlinearity instead of a strong amplification gain should be introduced, and a signal processing and power allocation technique capable of compensating for signal distortion caused by this is required.

도 1을 참조하면, 비선형 전력 증폭기(101)가 적용된 다중 사용자 다중 안테나 시스템의 개념을 설명하기 위한 것으로, 다중 안테나 시스템의 송신 장치(100)는 송신 전력을 조절하는 전력 할당 장치(power allocation device, 110)와 조절된 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하는 빔포밍 최적화 장치(beamforming optimizer, 120)로 구성될 수 있다.1, to explain the concept of a multi-user multi-antenna system to which the nonlinear power amplifier 101 is applied, the transmission device 100 of the multi-antenna system is a power allocation device for adjusting transmission power; 110) and a beamforming optimizer 120 that optimizes beamforming based on the adjusted power.

본 실시예에서는 수신 신호를 송신 신호와 상관된 상관 신호 및 왜곡 신호로 분리하여 상관 신호 대비 왜곡 신호와 잡음의 비율을 최대화하는 방법을 사용할 수 있다.In this embodiment, a method of maximizing the ratio of the correlation signal to the distortion signal and noise by dividing the received signal into a correlation signal and a distortion signal correlated with the transmission signal may be used.

다중 사용자(102)가 존재하는 하향링크(downlink) 시스템에서 발생하는 사용자 간 간섭 문제와 전력 증폭기(101)의 비선형성으로 인해 발생하는 왜곡 현상을 동시에 완화하기 위해, 각 사용자(102)의 신호 대비 간섭 및 왜곡 및 잡음비(signal-to-interference-plus-distortion-plus-noise ratio)를 최대화하도록 프리코딩(precoding) 벡터를 설계할 수 있다.In order to simultaneously alleviate the interference problem between users occurring in a downlink system in which multiple users 102 exist and a distortion phenomenon caused by the nonlinearity of the power amplifier 101, the signal contrast of each user 102 A precoding vector can be designed to maximize interference and distortion and a signal-to-interference-plus-distortion-plus-noise ratio.

비선형성으로 인한 왜곡은 모든 사용자(102)의 프리코딩 벡터에 대한 함수로 표현되기 때문에, 발생하는 상호 커플링(coupling)을 제거하기 위해 왜곡 성분을 각 사용자(102)의 프리코딩 벡터를 입력으로 하는 이차함수로 근사하는 방법을 사용할 수 있다.Since the distortion due to non-linearity is expressed as a function of the precoding vectors of all users 102 , the distortion component is inputted to each user 102 precoding vector as an input to eliminate mutual coupling that occurs. A method of approximation with a quadratic function can be used.

전력 할당은 Iterative Water-Filling 방법을 사용할 수 있다. 비선형 전력 증폭기(101)가 도입된 시스템의 정상성 조건(stationarity condition)으로부터 업데이트 공식(update equation)을 유도하고, 주어진 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)에 대해 전력 업데이트 공식(power update equation)으로 전력 할당 결과를 유도할 수 있다. 라그랑주(Lagrangian)는 이분법(bisection)을 통해 반복적으로(iterative) 업데이트(update) 할 수 있다.Power allocation may use an iterative water-filling method. An update equation is derived from the stationarity condition of the system in which the nonlinear power amplifier 101 is introduced, and the power allocation result is a power update equation for a given Lagrangian multiplier. can induce Lagrangian can be updated iteratively through bisection.

제안하는 송신 및 전력 할당 방법(이하에서는 간단히 송신 방법이라 하기로 함)은 위에 나타난 프리코딩과 전력 할당 방법을 통해 두 값을 반복적으로 업데이트할 수 있다.The proposed transmission and power allocation method (hereinafter, simply referred to as a transmission method) can iteratively update two values through the precoding and power allocation methods described above.

도 2를 참조하면, 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 안테나 시스템을 구성하는 각 장치의 세부 구성을 나타낸다. 즉, 빔포밍 최적화 장치(220)와 전력 할당 장치(210)의 각 세부 구성을 나타낸다. 전력 할당 장치(210)와 빔포밍 최적화 장치(220)에서는 각각의 알고리즘을 통해 전력 할당 결과와 프리코딩 벡터를 업데이트할 수 있다. 제안하는 시스템은 전력 할당 장치(210)와 빔포밍 최적화 장치(220)를 번갈아가며 반복적으로 사용하여 프리코딩 벡터와 전력 할당 결과를 업데이트할 수 있다. Referring to FIG. 2 , a detailed configuration of each device constituting a multi-antenna system to which a nonlinear power amplifier is applied is shown. That is, each detailed configuration of the beamforming optimization apparatus 220 and the power allocation apparatus 210 is shown. The power allocation apparatus 210 and the beamforming optimization apparatus 220 may update the power allocation result and the precoding vector through respective algorithms. The proposed system can update the precoding vector and the power allocation result by alternately and repeatedly using the power allocation device 210 and the beamforming optimization device 220 .

보다 구체적으로, 일 실시예에 따른 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 장치는 송신 전력을 조절하여 전력을 할당하는 전력 할당 장치(210)와, 할당된 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하기 위해 프리코딩 벡터를 최적화하는 빔포밍 최적화 장치(220)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 프리코딩 벡터를 최적화하여 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상할 수 있다. More specifically, the transmission apparatus of the multi-user downlink system to which the nonlinear power amplifier according to an embodiment is applied optimizes beamforming based on the power allocator 210 for allocating power by adjusting the transmission power and the allocated power. In order to do this, the beamforming optimization device 220 for optimizing the precoding vector may be included, and distortion of the nonlinear power amplifier may be compensated for by optimizing the precoding vector.

전력 할당 장치(210)는 전력 할당 벡터 업데이트부(211), 총 전력 계산부(212) 및 라그랑주 승수 업데이트부(213)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 전송 속도를 최대화하는 방향으로 반복적으로 전력을 업데이트할 수 있다.The power allocation device 210 may include a power allocation vector update unit 211 , a total power calculation unit 212 , and a Lagrange multiplier update unit 213 , and repeatedly updates power in a direction to maximize the transmission speed. can do.

전력 할당 벡터 업데이트부(211)는 주어진 라그랑주 승수로부터 각 사용자에 대해 전력 할당 벡터를 업데이트할 수 있다. The power allocation vector update unit 211 may update the power allocation vector for each user from the given Lagrange multiplier.

총 전력 계산부는 전력 할당 벡터 기반의 전력 할당 결과의 합을 계산할 수 있다. The total power calculator may calculate a sum of power allocation results based on the power allocation vector.

라그랑주 승수 업데이트부(213)는 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 통해 라그랑주 승수를 업데이트하고, 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하는 경우, 라그랑주 승수를 최소값에 대입하고, 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하지 않는 경우, 라그랑주 승수를 최대값에 대입할 수 있다. The Lagrange multiplier update unit 213 updates the Lagrange multiplier through the minimum and maximum values of the Lagrange multiplier, and when the sum of the power allocation results exceeds the power constraint condition, substitutes the Lagrange multiplier into the minimum value, and the sum of the power allocation results If this power constraint is not exceeded, the Lagrange multiplier may be substituted for the maximum value.

빔포밍 최적화 장치(220)는 안테나 할당 전력 계산부(221), 선형 계수 계산부(222), 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부(223), 비선형 함수 근사부(224) 및 프리코딩 벡터 업데이트부(225)를 포함할 수 있다. 이러한 빔포밍 최적화 장치(220)는 프리코딩 벡터를 최적화하여 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상할 수 있다. The beamforming optimization apparatus 220 includes an antenna allocation power calculation unit 221 , a linear coefficient calculation unit 222 , a precoding strain value and an expected distortion signal value calculation unit 223 , a nonlinear function approximation unit 224 , and a precoding unit. A vector update unit 225 may be included. The beamforming optimization apparatus 220 may compensate for distortion of the nonlinear power amplifier by optimizing the precoding vector.

안테나 할당 전력 계산부(221)는 모든 안테나에 할당되는 전력을 계산할 수 있다. The antenna allocation power calculation unit 221 may calculate power allocated to all antennas.

선형 계수 계산부(222)는 계산된 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산할 수 있다. The linear coefficient calculator 222 may calculate a linearity coefficient for each antenna from the calculated power.

프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부(223)는 리코딩 벡터를 임의로 변형한 후, 예상되는 왜곡 신호 값을 계산할 수 있다. 이후, 왜곡 신호 값을 계산하여 비선형 함수를 근사화할 수 있다. 보다 구체적으로, 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부(223)는 k 번째 사용자의 프리코딩 벡터의 변형 값을 계산하고, 계산된 프리코딩 벡터의 변형 값으로부터 예상되는 왜곡 신호 값을 계산할 수 있다. The precoding deformation value and expected distortion signal value calculator 223 may calculate an expected distortion signal value after arbitrarily transforming the recording vector. Thereafter, the nonlinear function may be approximated by calculating the distortion signal value. More specifically, the precoding deformation value and expected distortion signal value calculation unit 223 may calculate a deformation value of the k-th user's precoding vector, and calculate an expected distortion signal value from the calculated deformation value of the precoding vector. there is.

비선형 함수 근사부(224)는 선형 계수 기반의 비선형성으로 인한 왜곡 현상을 각 사용자의 프리코딩 벡터에 대한 비선형 함수로 근사화할 수 있다. 보다 구체적으로, 비선형 함수 근사부(224)는 프리코딩 벡터의 변형 값과 왜곡 신호 값으로부터 최소제곱법(least square solution)을 계산하여 다항함수로 근사화할 수 있다. The nonlinear function approximation unit 224 may approximate a distortion phenomenon due to nonlinearity based on linear coefficients as a nonlinear function for each user's precoding vector. More specifically, the nonlinear function approximation unit 224 may calculate a least squares solution from the deformation value of the precoding vector and the distortion signal value and approximate it as a polynomial function.

프리코딩 벡터 업데이트부(225)는 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 파라미터를 이용하여 프리코딩 벡터를 업데이트할 수 있다. 보다 구체적으로, 프리코딩 벡터 업데이트부(225)는 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 다항식 파라미터를 행렬로 정렬하고, 다항식 파라미터의 행렬로부터 프리코딩 벡터를 업데이트할 수 있다. The precoding vector updater 225 may update the precoding vector by using a parameter calculated through approximation of the nonlinear function. More specifically, the precoding vector updater 225 may align a polynomial parameter calculated through approximation of a nonlinear function into a matrix, and update the precoding vector from the matrix of polynomial parameters.

여기서, 전력 할당 장치(210)와 빔포밍 최적화 장치(220)를 교번하여 반복적으로 사용하여 전력 할당 결과와 프리코딩 벡터를 업데이트할 수 있다.Here, the power allocation result and the precoding vector may be updated by repeatedly using the power allocation apparatus 210 and the beamforming optimization apparatus 220 alternately.

아래에서 일 실시예에 따른 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 장치에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a transmission apparatus of a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier according to an embodiment is applied will be described in more detail.

일 실시예에 따른 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 방법은 도 2에서 설명한 송신 장치를 예를 들어 보다 구체적으로 설명할 수 있다. The transmission method of the multi-user downlink system to which the nonlinear power amplifier is applied according to an embodiment may be described in more detail with the example of the transmitting apparatus described with reference to FIG. 2 .

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 방법은, 송신 전력을 조절하여 전력을 할당하는 단계(S110), 및 할당된 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하기 위해 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계(S120)를 포함하고, 프리코딩 벡터를 최적화하여 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상할 수 있다. Referring to FIG. 3 , in the transmission method of a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier implemented by a computer device according to an embodiment is applied, the step of allocating power by adjusting the transmission power (S110), and the allocated power and optimizing the precoding vector in order to optimize beamforming based on it ( S120 ), and by optimizing the precoding vector, the distortion of the nonlinear power amplifier may be compensated.

단계(S110)에서, 전력 할당 장치(210)는 송신 전력을 조절하여 전력을 할당할 수 있다. In step S110 , the power allocator 210 may allocate power by adjusting the transmission power.

단계(S120)에서, 빔포밍 최적화 장치(220)는 할당된 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하기 위해 프리코딩 벡터를 최적화할 수 있다. In operation S120 , the beamforming optimization apparatus 220 may optimize a precoding vector to optimize beamforming based on the allocated power.

여기서, 전력 할당 장치(210)의 전력을 할당하는 단계와 빔포밍 최적화 장치(220)의 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계를 교번하여 반복적으로 수행하여, 전력 할당 결과와 프리코딩 벡터를 업데이트할 수 있다. Here, the power allocation result and the precoding vector may be updated by alternately performing the allocating power of the power allocating apparatus 210 and optimizing the precoding vector of the beamforming optimizing apparatus 220 repeatedly. .

도 4를 참조하면, 전력을 할당하는 단계(S110)는, 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 초기화하는 단계(S111), 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 통해 라그랑주 승수를 업데이트하는 단계(S112), 주어진 라그랑주 승수로부터 각 사용자에 대해 전력 할당 벡터를 업데이트하는 단계(S113), 전력 할당 벡터 기반의 전력 할당 결과의 합을 계산하는 단계(S114), 및 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하는 경우, 라그랑주 승수를 최소값에 대입하고, 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하지 않는 경우, 라그랑주 승수를 최대값에 대입하는 단계(S115)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the step of allocating power (S110) includes initializing the minimum and maximum values of the Lagrange multiplier (S111), updating the Lagrange multiplier through the minimum and maximum values of the Lagrange multiplier (S112); Updating the power allocation vector for each user from the given Lagrange multiplier (S113), calculating the sum of the power allocation vector-based power allocation results (S114), and the sum of the power allocation results exceeding the power constraint case, substituting the Lagrange multiplier into the minimum value, and substituting the Lagrange multiplier into the maximum value when the sum of the power allocation results does not exceed the power constraint condition (S115).

일 실시예에 따른 전력을 할당하는 방법은 전력 할당 장치(210)를 통해 수행될 수 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이, 전력 할당 장치(210)는 전력 할당 벡터 업데이트부(211), 총 전력 계산부(212) 및 라그랑주 승수 업데이트부(213)를 포함하여 이루어질 수 있다. The method of allocating power according to an embodiment may be performed through the power allocating device 210, and as described above, the power allocating device 210 includes the power allocation vector updater 211 and the total power calculator ( 212) and a Lagrange multiplier update unit 213 may be included.

전력 할당 과정은 정상성 조건(stationarity condition)으로부터 전력 업데이트 공식(power update equation)을 유도하고, 이를 통해 전력 할당 결과를 업데이트하는 과정과 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)를 업데이트하는 과정을 반복하는 과정으로 이루어질 수 있다.The power allocation process consists of a process of deriving a power update equation from a stationarity condition, updating the power allocation result through this, and repeating the process of updating the Lagrangian multiplier. can

전력 할당 과정은 다음의 과정을 반복할 수 있다. The power allocation process may repeat the following process.

단계(S111)에서, 먼저, 라그랑주 승수 업데이트부(213)는 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)의 최소값

은 0, 최대값은

로 초기화할 수 있다.In step S111 , first, the Lagrange multiplier update unit 213 sets the minimum value of the Lagrangian multiplier.

is 0, the maximum value is

can be initialized with

단계(S112)에서, 라그랑주 승수 업데이트부(213)는 라그랑주 승수

를 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 통해 다음과 같이 업데이트할 수 있다.In step S112 , the Lagrange multiplier update unit 213 performs the Lagrange multiplier

can be updated as follows through the minimum and maximum values of the Lagrange multipliers.

[수학식 1][Equation 1]

단계(S113)에서, 전력 할당 벡터 업데이트부(211)는 주어진

로부터 각 사용자에 대해, 전력 할당 벡터를 업데이트할 수 있다. 전력 업데이트 공식(power update equation) u _k는 정상성 조건(stationarity condition)을 각 사용자의 전력에 대해 편미분하여 얻을 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.In step S113, the power allocation vector update unit 211 is

For each user, we can update the power allocation vector. The power update equation _uk can be obtained by partial differentiation of a stationarity condition with respect to the power of each user, and can be expressed as the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

여기서,

는 업데이트(update)의 속도를 조절하는 파라미터(parameter)이다.here,

is a parameter that controls the speed of update.

위 과정을

를 증가시키며 전력(power)이 수렴할 때까지 반복할 수 있다.the above process

can be repeated until the power converges.

단계(S114)에서, 총 전력 계산부(212)는 전력 할당 벡터 기반의 전력 할당 결과의 합을 계산할 수 있다. In step S114 , the total power calculator 212 may calculate the sum of the power allocation results based on the power allocation vector.

이후, 단계(S115)에서, 라그랑주 승수 업데이트부(213)는 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건

를 초과하였으면, 현재의

를

에 대입하며, 초과하지 않을 경우 현재의

를

에 대입할 수 있다.Thereafter, in step S115 , the Lagrange multiplier update unit 213 determines that the sum of the power allocation results is a power constraint condition.

If it exceeds, the current

cast

, and if it does not exceed the current

cast

can be substituted into

위 과정을 Complementary Slackness Condition이 일정 문턱 값(threshold)

이하로 만족될 때 알고리즘을 종료하며, 이는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.Complementary Slackness Condition is a certain threshold for the above process.

The algorithm is terminated when the following is satisfied, which can be expressed as the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

도 5를 참조하면, 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계(S120)는, 모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 단계(S121), 계산된 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 단계(S122), k 번째 사용자의 프리코딩 벡터의 변형 값을 계산하는 단계(S123), 계산된 프리코딩 벡터의 변형 값으로부터 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 단계(S124), 프리코딩 벡터의 변형 값과 왜곡 신호 값으로부터 최소제곱법(least square solution)을 계산하여 다항함수로 근사화하는 단계(S125), 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 다항식 파라미터를 행렬로 정렬하는 단계(S126), 및 다항식 파라미터의 행렬로부터 프리코딩 벡터를 업데이트하는 단계(S127)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the optimizing the precoding vector ( S120 ) includes calculating power allocated to all antennas ( S121 ), and calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power ( S122 ). ), calculating the distortion value of the k-th user's precoding vector (S123), calculating an expected distortion signal value from the calculated transformation value of the precoding vector (S124), the distortion value and distortion of the precoding vector calculating a least squares solution from the signal value and approximating it to a polynomial function (S125), arranging the polynomial parameter calculated through approximation of the nonlinear function into a matrix (S126), and from the matrix of polynomial parameters It may include updating the precoding vector (S127).

한편, 다른 실시예에 따르면 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계(S120)는, 모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 단계(S121), 계산된 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 단계(S122), 선형 계수 기반의 비선형성으로 인한 왜곡 현상을 각 사용자의 프리코딩 벡터에 대한 비선형 함수로 근사화하는 단계(S125), 및 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 파라미터(S126)를 이용하여 프리코딩 벡터를 업데이트하는 단계(S127)를 포함할 수 있다. 여기서, 비선형 함수로 근사화하기 이전에, 프리코딩 벡터를 임의로 변형(S123)한 후, 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 단계(S124)를 더 포함하고, 왜곡 신호 값을 계산하여 비선형 함수를 근사화할 수 있다. Meanwhile, according to another embodiment, the step of optimizing the precoding vector (S120) includes calculating power allocated to all antennas (S121), calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power ( S122), approximating the distortion phenomenon due to nonlinearity based on linear coefficients to a nonlinear function for each user's precoding vector (S125), and precoding using a parameter (S126) calculated through approximation of the nonlinear function It may include updating the vector (S127). Here, before approximating to a non-linear function, after arbitrarily transforming the precoding vector (S123), the method further includes a step (S124) of calculating an expected distortion signal value, and calculating the distortion signal value to approximate the non-linear function. can

아래에서 일 실시예에 따른 프리코딩 벡터를 최적화하는 방법을 예를 들어 보다 상세히 설명한다. 한편, 빔포밍 최적화 장치(220)는 안테나 할당 전력 계산부(221), 선형 계수 계산부(222), 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부(223), 비선형 함수 근사부(224) 및 프리코딩 벡터 업데이트부(225)를 포함할 수 있다.Hereinafter, a method of optimizing a precoding vector according to an embodiment will be described in more detail with an example. Meanwhile, the beamforming optimization apparatus 220 includes an antenna allocation power calculation unit 221 , a linear coefficient calculation unit 222 , a precoding strain value and an expected distortion signal value calculation unit 223 , a nonlinear function approximation unit 224 and It may include a precoding vector updater 225 .

빔포밍 최적화 장치(220)에서는 현재 주어진 전력 할당 결과에 대해 프리코딩 벡터를 최적화할 수 있다. 아래는 빔포밍 최적화 과정을 나타낸다. 모든 사용자에 대해 다음의 과정을 반복할 수 있다.The beamforming optimization apparatus 220 may optimize the precoding vector with respect to the currently given power allocation result. The beamforming optimization process is shown below. The following process can be repeated for all users.

단계(S121)에서, 안테나 할당 전력 계산부(221)는 모든 안테나에 할당되는 전력 P _n을 계산할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.In step S121 , the antenna allocation power calculation unit 221 may calculate the power P _n allocated to all antennas, and may be expressed as follows.

[수학식 4][Equation 4]

단계(S122)에서, 선형 계수 계산부(222)는 계산된 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)

를 계산할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.In step S122, the linear coefficient calculator 222 calculates a linearity coefficient for each antenna from the calculated power.

can be calculated, and can be expressed as

그리고, 단계(S123)에서, k 번째 사용자의 프리코딩 벡터의 3가지 변형 값

을 계산할 수 있다. 이는 여러 방법으로 가능하며, 임의의 scaling으로 할 수 있다. k 번째 사용자의 프리코딩 벡터의 변형 값을 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.And, in step S123, three variant values of the k-th user's precoding vector

can be calculated. This can be done in several ways, with arbitrary scaling. The transformation value of the k-th user's precoding vector can be expressed as the following equation.

[수학식 5][Equation 5]

단계(S124)에서, 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부(223)는 계산된 프리코딩 벡터의 변형 값으로부터 예상되는 왜곡(distortion) 신호 값

을 계산할 수 있다.In step S124, the precoding deformation value and expected distortion signal value calculator 223 calculates a distortion signal value expected from the calculated deformation value of the precoding vector.

can be calculated.

단계(S125)에서, 비선형 함수 근사부(224)는 계산된 프리코딩 벡터와 왜곡 신호 값으로부터 최소제곱법(least square solution)을 계산하여 다항함수로 근사할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.In step S125, the nonlinear function approximation unit 224 may calculate a least squares solution from the calculated precoding vector and the distortion signal value and approximate it with a polynomial function, which may be expressed as the following equation.

[수학식 6][Equation 6]

단계(S126)에서, 프리코딩 벡터 업데이트부(225)는 구한 다항식 파라미터

을 행렬로 정렬하여

를 계산할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.In step S126, the precoding vector update unit 225 obtains the polynomial parameter

by sorting in a matrix

can be calculated, and can be expressed as

[수학식 7][Equation 7]

단계(S127)에서, 프리코딩 벡터 업데이트부(225)는 구한 파라미터 행렬로부터 프리코딩 벡터를 다음과 같이 업데이트할 수 있다.In step S127, the precoding vector update unit 225 may update the precoding vector from the obtained parameter matrix as follows.

[수학식 8][Equation 8]

여기서,

는 정규화 상수이다.here,

is a regularization constant.

위 과정을 t를 증가시키며 수렴할 때까지 반복할 수 있다.The above process can be repeated with increasing t until convergence.

앞에서 설명한 빔포밍 최적화 과정과 전력 할당 과정을 반복하여 최대 반복(iteration) 수를 초과하거나 프리코딩 및 전력 할당 결과가 수렴할 때 전체 과정을 종료할 수 있다.By repeating the above-described beamforming optimization process and power allocation process, the entire process may be terminated when the maximum number of iterations is exceeded or the precoding and power allocation results converge.

위의 과정을 통해 비선형성으로 인해 발생하는 다중 사용자 시스템의 간섭과 왜곡 문제를 해결하고, 전력을 적절하게 할당하여 네트워크 전송 속도를 최대화 할 수 있다. 본 실시예들을 통해, 비선형 전력 증폭기를 기지국 및 중계기에 도입하여 전력 효율이 높은 다중 사용자 네트워크를 구성할 수 있다.Through the above process, it is possible to solve the problem of interference and distortion in multi-user systems caused by nonlinearity, and to maximize network transmission speed by properly allocating power. Through the present embodiments, it is possible to configure a multi-user network with high power efficiency by introducing a nonlinear power amplifier to a base station and a repeater.

도 6에 도시된 바와 같이, 실시예들은 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 빔 형성 시스템의 최적화 및 전력 할당을 통해 전송 속도를 최대화할 수 있다. 또한, 실시예들에 따르면 다중 안테나 시스템에서 발생하는 간섭 문제와 비선형 시스템에서 발생하는 왜곡 문제를 동시에 해결할 수 있다.As shown in FIG. 6 , the embodiments may maximize the transmission speed through optimization and power allocation of a multi-user downlink beamforming system to which a nonlinear power amplifier is applied. In addition, according to embodiments, it is possible to simultaneously solve an interference problem occurring in a multi-antenna system and a distortion problem occurring in a nonlinear system.

실시예들을 통해 비선형 통신 시스템의 성능을 크게 개선하고 전력 효율이 높은 비선형 전력 증폭기를 통신 시스템에 적용될 수 있게 함으로써, 미래 통신 시스템의 생산 단가를 크게 절감하고 전력 효율을 크게 개선할 수 있다. 이로부터, 기지국 및 중계기의 생산 단가를 절감하고 전력 소모를 개선하여 고밀집 네트워크 실현에 기여함으로써 해당 산업의 발전에 기여할 수 있다.By greatly improving the performance of the nonlinear communication system through the embodiments and allowing a nonlinear power amplifier with high power efficiency to be applied to the communication system, it is possible to greatly reduce the production cost of the future communication system and significantly improve the power efficiency. From this, it is possible to contribute to the development of the industry by reducing the production cost of the base station and repeater, and by improving power consumption, thereby contributing to the realization of a high-density network.

실시예들은 저전력, 저비용 디바이스를 사용하는 다중 안테나 통신 분야에 적용될 수 있어 통신 시스템의 생산 단가 절감 및 소모 전력 감소에 적용될 수 있다. 또한 실시예들은 소모 전력 감소가 필수적인 사물인터넷 시스템 또는 분산 시스템이나 미래 통신 시스템의 유망한 기술로 주목되는 거대 배열 안테나 시스템의 생산 단가 및 소모 전력 감소를 위해 응용될 수 있다.The embodiments may be applied to a multi-antenna communication field using a low-power, low-cost device, and thus may be applied to reduction in production cost and power consumption of a communication system. In addition, the embodiments may be applied to reduce the production cost and power consumption of a giant array antenna system, which is noted as a promising technology for an Internet of Things (IoT) system, a distributed system, or a future communication system in which power consumption reduction is essential.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or apparatus, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 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 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims

비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 장치에 있어서, In the transmitting apparatus of a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier is applied,

송신 전력을 조절하여 전력을 할당하는 전력 할당 장치; 및 a power allocator for allocating power by adjusting transmission power; and

할당된 상기 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하기 위해 프리코딩 벡터를 최적화하는 빔포밍 최적화 장치A beamforming optimization apparatus for optimizing a precoding vector to optimize beamforming based on the allocated power

를 포함하고, including,

상기 프리코딩 벡터를 최적화하여 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상하는, 송신 장치.Compensating for distortion of the nonlinear power amplifier by optimizing the precoding vector.
제1항에 있어서, According to claim 1,

상기 전력 할당 장치와 상기 빔포밍 최적화 장치를 교번하여 반복적으로 사용하여, 전력 할당 결과와 프리코딩 벡터를 업데이트하는 것Updating a power allocation result and a precoding vector by repeatedly using the power allocation device and the beamforming optimization device alternately

을 특징으로 하는, 송신 장치. characterized in that, the transmitting device.
제1항에 있어서, According to claim 1,

상기 전력 할당 장치는, The power allocating device,

전송 속도를 최대화하는 방향으로 반복적으로 전력을 업데이트하는 것Updating the power repeatedly in the direction that maximizes the transfer rate

을 특징으로 하는, 송신 장치.characterized in that, the transmitting device.
제1항에 있어서, According to claim 1,

상기 전력 할당 장치는, The power allocating device,

정상성 조건(stationarity condition)으로부터 전력 업데이트 공식(power update equation)을 유도하고, 상기 전력 업데이트 공식을 통해 전력 할당 결과를 업데이트하는 과정과 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)를 업데이트하는 과정을 반복하는 것Deriving a power update equation from a stationarity condition, updating the power allocation result through the power update equation, and repeating the process of updating the Lagrangian multiplier

을 특징으로 하는, 송신 장치.characterized in that, the transmitting device.
제1항에 있어서, According to claim 1,

상기 전력 할당 장치는, The power allocating device,

주어진 라그랑주 승수로부터 각 사용자에 대해 전력 할당 벡터를 업데이트하는 전력 할당 벡터 업데이트부; a power allocation vector update unit for updating a power allocation vector for each user from a given Lagrange multiplier;

상기 전력 할당 벡터 기반의 전력 할당 결과의 합을 계산하는 총 전력 계산부; 및 a total power calculation unit for calculating a sum of power allocation results based on the power allocation vector; and

상기 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 통해 라그랑주 승수를 업데이트하고, 상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최소값에 대입하고, 상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하지 않는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최대값에 대입하는 라그랑주 승수 업데이트부The Lagrange multiplier is updated through the minimum and maximum values of the Lagrange multiplier, and when the sum of the power allocation results exceeds the power constraint condition, the Lagrange multiplier is substituted for the minimum value, and the sum of the power allocation results is the power constraint condition If it does not exceed, the Lagrange multiplier update unit for substituting the Lagrange multiplier into the maximum value.

를 포함하는, 송신 장치.Including, a transmitting device.
제1항에 있어서, According to claim 1,

상기 빔포밍 최적화 장치는, The beamforming optimization device,

모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 안테나 할당 전력 계산부; an antenna allocation power calculation unit for calculating power allocated to all antennas;

계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 선형 계수 계산부; a linear coefficient calculator for calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power;

상기 선형 계수 기반의 비선형성으로 인한 왜곡 현상을 각 사용자의 상기 프리코딩 벡터에 대한 비선형 함수로 근사화하는 비선형 함수 근사부; 및 a nonlinear function approximation unit for approximating a distortion phenomenon due to the nonlinearity based on the linear coefficients to a nonlinear function with respect to the precoding vector of each user; and

상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 파라미터를 이용하여 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 프리코딩 벡터 업데이트부A precoding vector update unit that updates the precoding vector by using a parameter calculated through approximation of the nonlinear function

를 포함하는, 송신 장치.Including, a transmitting device.
제6항에 있어서, 7. The method of claim 6,

상기 비선형 함수를 근사화하기 이전에, 상기 프리코딩 벡터를 임의로 변형한 후, 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부(223)Before approximating the nonlinear function, after arbitrarily transforming the precoding vector, the precoding transformation value and expected distortion signal value calculator 223 calculates an expected distortion signal value

를 더 포함하고, further comprising,

상기 왜곡 신호 값을 계산하여 상기 비선형 함수를 근사화하는 것approximating the non-linear function by calculating the value of the distortion signal.

을 특징으로 하는, 송신 장치.characterized in that, the transmitting device.
제1항에 있어서, According to claim 1,

상기 빔포밍 최적화 장치는, The beamforming optimization device,

모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 안테나 할당 전력 계산부; an antenna allocation power calculation unit for calculating power allocated to all antennas;

계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 선형 계수 계산부; a linear coefficient calculator for calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power;

k 번째 사용자의 상기 프리코딩 벡터의 변형 값을 계산하고, 계산된 상기 프리코딩 벡터의 변형 값으로부터 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 프리코딩 변형 값 및 예상 왜곡 신호 값 계산부; a precoding transformation value and predicted distortion signal value calculator for calculating a distortion value of the precoding vector of a k-th user and calculating an expected distortion signal value from the calculated transformation value of the precoding vector;

상기 프리코딩 벡터의 변형 값과 왜곡 신호 값으로부터 최소제곱법(least square solution)을 계산하여 다항함수로 근사화하는 비선형 함수 근사부; 및 a nonlinear function approximator for calculating a least squares solution from the distortion value of the precoding vector and the distortion signal value and approximating it to a polynomial function; and

상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 다항식 파라미터를 행렬로 정렬하고, 다항식 파라미터의 상기 행렬로부터 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 프리코딩 벡터 업데이트부A precoding vector update unit that aligns a polynomial parameter calculated through approximation of the nonlinear function into a matrix, and updates the precoding vector from the matrix of polynomial parameters

를 포함하는, 송신 장치.Including, a transmitting device.
컴퓨터 장치로 구현되는 비선형 전력 증폭기가 적용된 다중 사용자 하향링크 시스템의 송신 방법에 있어서, In the transmission method of a multi-user downlink system to which a nonlinear power amplifier implemented by a computer device is applied,

송신 전력을 조절하여 전력을 할당하는 단계; 및 allocating power by adjusting transmit power; and

할당된 상기 전력을 바탕으로 빔 형성을 최적화하기 위해 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계optimizing a precoding vector to optimize beamforming based on the allocated power;

를 포함하고, including,

상기 프리코딩 벡터를 최적화하여 비선형 전력 증폭기의 왜곡을 보상하는, 송신 방법.Compensating for distortion of a nonlinear power amplifier by optimizing the precoding vector.
제9항에 있어서, 10. The method of claim 9,

상기 전력을 할당하는 단계와 상기 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계를 교번하여 반복적으로 수행하여, 전력 할당 결과와 프리코딩 벡터를 업데이트하는 것updating the power allocation result and the precoding vector by alternately performing the allocating power and optimizing the precoding vector

을 특징으로 하는, 송신 방법.characterized in that, the transmission method.
제9항에 있어서, 10. The method of claim 9,

상기 전력을 할당하는 단계는, Allocating the power comprises:

정상성 조건(stationarity condition)으로부터 전력 업데이트 공식(power update equation)을 유도하고, 상기 전력 업데이트 공식을 통해 전력 할당 결과를 업데이트하는 과정과 라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)를 업데이트하는 과정을 반복하는 것Deriving a power update equation from a stationarity condition, updating the power allocation result through the power update equation, and repeating the process of updating the Lagrangian multiplier

을 특징으로 하는, 송신 방법.characterized in that, the transmission method.
제9항에 있어서, 10. The method of claim 9,

상기 전력을 할당하는 단계는, Allocating the power comprises:

라그랑주 승수(Lagrangian multiplier)의 최소값 및 최대값을 초기화하는 단계; initializing a minimum value and a maximum value of a Lagrangian multiplier;

상기 라그랑주 승수의 최소값 및 최대값을 통해 라그랑주 승수를 업데이트하는 단계; updating the Lagrange multiplier through the minimum and maximum values of the Lagrange multiplier;

주어진 상기 라그랑주 승수로부터 각 사용자에 대해 전력 할당 벡터를 업데이트하는 단계; updating a power allocation vector for each user from the given Lagrange multiplier;

상기 전력 할당 벡터 기반의 전력 할당 결과의 합을 계산하는 단계; 및 calculating a sum of power allocation results based on the power allocation vector; and

상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최소값에 대입하고, 상기 전력 할당 결과의 합이 전력 제약 조건을 초과하지 않는 경우, 상기 라그랑주 승수를 최대값에 대입하는 단계When the sum of the power allocation results exceeds the power constraint condition, substituting the Lagrange multiplier into a minimum value, and when the sum of the power allocation results does not exceed the power constraint condition, substituting the Lagrange multiplier into the maximum value

를 포함하는, 송신 방법.Including, a transmission method.
제9항에 있어서, 10. The method of claim 9,

상기 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계는, Optimizing the precoding vector comprises:

모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 단계; calculating power allocated to all antennas;

계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 단계; calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power;

상기 선형 계수 기반의 비선형성으로 인한 왜곡 현상을 각 사용자의 상기 프리코딩 벡터에 대한 비선형 함수로 근사화하는 단계; 및 approximating the distortion phenomenon due to the nonlinearity based on the linear coefficients with a nonlinear function for the precoding vector of each user; and

상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 파라미터를 이용하여 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 단계updating the precoding vector by using a parameter calculated through approximation of the nonlinear function.

를 포함하는, 송신 방법.Including, a transmission method.
제13항에 있어서, 14. The method of claim 13,

상기 비선형 함수로 근사화하기 이전에, 상기 프리코딩 벡터를 임의로 변형한 후, 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 단계Before approximating to the non-linear function, arbitrarily transforming the precoding vector, and then calculating an expected distortion signal value.

를 더 포함하고, further comprising,

상기 왜곡 신호 값을 계산하여 상기 비선형 함수를 근사화하는 것approximating the non-linear function by calculating the value of the distortion signal.

을 특징으로 하는, 송신 방법.characterized in that, the transmission method.
제9항에 있어서, 10. The method of claim 9,

상기 프리코딩 벡터를 최적화하는 단계는, Optimizing the precoding vector comprises:

모든 안테나에 할당되는 전력을 계산하는 단계; calculating power allocated to all antennas;

계산된 상기 전력으로부터 안테나 별 선형 계수(linearity coefficient)를 계산하는 단계; calculating a linearity coefficient for each antenna from the calculated power;

k 번째 사용자의 상기 프리코딩 벡터의 변형 값을 계산하는 단계; calculating a transformation value of the precoding vector of a k-th user;

계산된 상기 프리코딩 벡터의 변형 값으로부터 예상되는 왜곡 신호 값을 계산하는 단계; calculating an expected distortion signal value from the calculated transformation value of the precoding vector;

상기 프리코딩 벡터의 변형 값과 왜곡 신호 값으로부터 최소제곱법(least square solution)을 계산하여 다항함수로 근사화하는 단계; calculating a least square solution from the distortion value of the precoding vector and the distortion signal value and approximating it to a polynomial function;

상기 비선형 함수의 근사화를 통해 계산된 다항식 파라미터를 행렬로 정렬하는 단계; 및 arranging a polynomial parameter calculated through approximation of the nonlinear function into a matrix; and

다항식 파라미터의 상기 행렬로부터 상기 프리코딩 벡터를 업데이트하는 단계 updating the precoding vector from the matrix of polynomial parameters.

를 포함하는, 송신 방법.Including, a transmission method.