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13 장 채널 정보를 활용한 송신 기법. 송 유 진. Contents. 13.1 송신부에서의 채널 추정 13.1.1 Reciprocity 방법 13.1.2 채널 정보 피드백 방법 13.2 Precoding 기법 13.2.1 송신단에서 채널 정보를 활용할 경우의 채널 용량 13.2.2 Pre-coded STBC 기법 13.2.3 Pre-coded 공간 다중화 시스템 13.3 안테나 선택 기법 13.3.1 안테나 선택 기법 적용 시 채널 용량 13.3.2 선택 복잡도 감소 기법
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13장 채널 정보를 활용한 송신 기법 송 유 진
Contents • 13.1 송신부에서의 채널 추정 • 13.1.1 Reciprocity 방법 • 13.1.2 채널정보 피드백 방법 • 13.2 Precoding 기법 • 13.2.1 송신단에서 채널 정보를 활용할 경우의 채널 용량 • 13.2.2 Pre-coded STBC 기법 • 13.2.3 Pre-coded 공간 다중화 시스템 • 13.3 안테나 선택 기법 • 13.3.1 안테나 선택 기법 적용 시 채널 용량 • 13.3.2 선택 복잡도 감소 기법 • 13.3.3 STBC에서의 최소 오류 확률
채널 정보를 활용한 송신 기법 • 송신단에서 채널정보를 활용하는 기법 • 송신부에서의 채널정보 가용 정도 • 채널 H를 완벽하게 아는 경우 • 일시적인 채널의 부분적인 정보를 아는 경우 • 채널에 대한 통계적인 정보가 가용한 경우 • 수신단에서만 채널정보를 활용한 기법들에 비해 채널 용량, 성능, 또는 복잡도 측면에서 이득을 얻음 • 통신자원의 낭비, 시간 지연 등의 문제점 • 채널이 시변 일 경우, 송신부에서 완벽한 채널정보 획득 어려움 • 실용적인 측면에서 통계적인 채널정보 등 부분적인 채널정보를 송신단에서 활용 • 송신단에서 채널정보를 활용하는 방식 • Precoding • 안테나 선택기법
송신부에서의 채널 추정 (1) • Reciprocity 방법 • 안테나 A에서 B로의 전방향 채널의 채널정보 (Channel State Information; CSI)가 B에서 A로의 역방향 채널의 정보와 같을 때 사용할수 있음 • 같은 주파수 특성, 같은 시간 특성, 같은 안테나 특성 • 상호교환 방식의 블록도 • Full-duplex 시스템에서 송신단 (A)은 역방향 채널 (B to A)로부터 전방향 채널 (A to B)의 채널정보 획득 • 실제 full-duplex 시스템에서 주파수, 시간, 안테나 특성이 모두 정확히 같을 수 없음
송신부에서의 채널 추정 (2) • Reciprocity 방법 (cont’d) • Reciprocity 방법을 사용할 수 있는 조건 • 위 조건을 만족할 때 근사한 방법으로 reciprocity 방법 사용 가능 • : 두 채널간의 시간지연, : coherence 시간 • : 주파수 옵셋, : coherence 대역폭 • : 안테나간의 위치차, : coherence 거리 • TDD 시스템에서는 전방향 채널과 역방향 채널간의 회기 지연이 coherence 시간에 비해 매우 작다면 reciprocity 방법이 가능 • 전방향 채널과 역방향 채널의 주파수 특성과 안테나 특성이 같음 • FDD는 reciprocity 방법이 적합하지 않음 • 주파수 대역이 상이해 두 채널간의 주파수 특성 차이가 크고 이 차이는 coherence 대역폭 보다 일반적으로 크기 때문
송신부에서의 채널 추정 (3) • 채널 정보 피드백 방법 • 수신단 (B)이 얻은 전방향 채널정보를 피드백 루프를 통해 송신단 (A)으로 전송하는 방법 • 피드백 지연시간이 채널의 coherence시간 보다 작아야 함 • 피드백방식의 블록도 • TDD, FDD 방법 모두에 적용 가능 • 피드백 정보를 전송할 때 추가적인 통신자원 요구
송신부에서의 채널 추정 (4) • 채널 정보 피드백 방법 (cont’d) • 피드백 기법 사용시 고려 사항 • 피드백 정보는 시스템에 오버헤드로 작용 • 피드백 정보는 채널의 탭, 안테나, 사용자 수에 비례해서 증가 • 시변 무선 채널의 경우 빈번한 피드백이 요구 됨 • 위 사항이 고려되어 피드백 정보는 성능 열화가 발생하지 않는 범위 내에서 최소로 압축되어 전송 됨 • 압축방법 • 직접적 양자화 방법 • 코드북 (codebook)이라고 불리는 양자화된 벡터들의 집합의 원소들로 H를 맵핑 • 맵핑은 양자화가 되지 않은 원 채널 H와 양자화된 채널의 평균제곱오차 (MSE)가 가장 작은 것을 선택하는 역할을 함 • 을 최소로 하는 를 선택
송신부에서의 채널 추정 (5) • 채널 정보 피드백 방법 (cont’d) • 압축방법 (cont’d) • 간접적 양자화 방법 • 성능이득을 목적함수로 두고 최대이득을 얻을 수 있는 양자화된 H를 선택 • 목적함수로는 채널 용량 또는 에러율이 됨 • 양자화가 수신단에서 이루어 진 후, 수신단은 코드북의 인덱스 정보를 피드백 비트 로 표현하여 송신단에 전송
Precoding 기법(1) • 송신단에서 채널 정보를 활용할 경우의 채널 용량 • 완벽한 채널 정보 • Precoding 블록도 • 송신 안테나 개, 수신 안테나 개이고, 송신단에서 precoding 수행 • 메시지 벡터 는 precoding 행렬 과 곱해진 후 송신 • 채널이비선택적 페이딩 일 때 송신신호와 수신신호의 관계
Precoding 기법 (2) • 송신단에서 채널 정보를 활용할 경우의 채널 용량 (cont’d) • 완벽한 채널 정보 (cont’d) • 이므로, 송신신호의 covariance 행렬 • 전체 송신전력이 로 제한 • Precoding이 사용된 MIMO 채널 용량 • 이기 때문에 채널 용량은 W의 함수가 됨 • 채널 용량을 최대화 하는 행렬 • eigen decompositon • Precoding 행렬
Precoding 기법 (3) • 송신단에서 채널 정보를 활용할 경우의 채널 용량 (cont’d) • 완벽한 채널 정보 (cont’d) • 채널 용량의 최대화를 위한 covariance 행렬 (water-pouring 기법) • 로 정의 됨 • 양변에 를 곱함 where
Precoding 기법 (4) • 송신단에서 채널 정보를 활용할 경우의 채널 용량 (cont’d) • 부분적인 채널 정보 • 채널모델 • 송신단 안테나들의 상관관계 행렬 은 정확히 알고 있음 • 수신단의 안테나들이 서로 충분하게 분리되어 있음, • 전체 송신 전력이 로 제한 된 경우, ergodic 채널 용량 • 최대 ergodic 채널 용량은 일때 얻을 수 있음 • : 의 고유벡터로 이루어진 행렬 • : 전체 전력제한을 만족하는 전력할당 대각행렬
Precoding 기법 (5) • Pre-coded STBC 기법 • STBC는 송신간에서 채널정보를 활용할 경우 추가적인 이득 얻음 • Precoded STBC • Space-time 코드워드를 C라고할 때 precoding 행렬 W를 곱해서 송신 • W는 코드북 에 존재하는 행렬 중 하나 • 입출력 관계식 • 수신단에서 precoding 행렬 W를 정하기 위해 SER (symbol error rate)의 upper bound 식 사용 • : SNR과 사용되는 성상도와 관계되는 변수 • SNR upper bound를 줄이기 위해서는 를 최대화 시켜야 함
Precoding 기법 (6) • Pre-coded STBC 기법 (cont’d) • Precoding 행렬 • 위 식을 만족하는 는 여러 개 존재 • 임의의 unitary 행렬 L은 Frobenius norm 값을 변화시키지 않음 • 여러 개의 중 각 채널 상황에 맞도록 정형화 하기 위해 H의 SVD (Singular Value Decomposition)를 와 같이 정의 • U : 인 unitary 행렬 • V : 인 unitary 행렬 • Σ: 를 원소로 갖는 의 대각행렬 • 를 V의 첫 번째 열부터 M 까지의 열을 포함하는 행렬이라 정의할 때 정형화된 • 가 unitary 행렬이므로 을 만족하는 i에 대해 가 1임 • 최적의 precoding이 수행됬을때 각 effective 채널에 대해 최대 전력전송 의미 • 전력 제한조건이 고려된 상황에서 을 최대화
Precoding 기법 (7) • Pre-coded STBC 기법 (cont’d) • 다양한 채널환경에 대해 좋은 코드북을 설계하기 위한 오차 정의 • Upper bound • : 채널의 singular value들과 관련된 변수 • 좋은 코드북 설계 위해 항이 최소가 되도록 함 • 코드북 설계를 위한 의 몇 가지 특성 정의 • : 로 이루어진 unitary 행렬들의 집합 • 에 속하는 행렬들은 각각 M-차원의 부분공간으로 이루어져 있으며, 각 부분공간들은 -차원 벡터공간 으로 이루어져 있음 • 차원의 복소 벡터공간을 의미
Precoding 기법 (8) • Pre-coded STBC 기법 (cont’d) • 코드북 설계를 위한 의 몇 가지 특성 정의 (cont’d) • Grassmannian packing의 정의에 따라 의 모든 열 공간들은 복소 Grassmann manifold packing 부분공간 에 속함 • 일때, 이들의 열 공간을 라고 각각 정의하면 들은 에 속함 • Chordal distance • Grassmann manifold에 속한 부분공간의 상대거리, 성능과 연관됨 • 최소의 chordal distance • Metric ball approach를 이용한 코드북 성능 근사화 • 일 때,δ가 증가함에따라 감소 • δ 를 최대화 시킴으로써 최고의 코드북 성능 얻음
Precoding 기법 (9) • Pre-coded STBC 기법 (cont’d) • Precoding 행렬과 chordal distance • δ를 최대화 시킨다는 것은 코드북 내에 존재하는 행렬들이 다양한 채널에 성공적으로 동작하도록 넓은 범위의 벡터공간을 표현해야 한다는 것 • Grassmannian packing으로부터 임의의 송신 안테나 개수 , 코드북의 길이 M, 코드북의 크기 L에 대해 좋은 코드북 설계는 어려움 • DFT 행렬 이용하는 방법 제안됨
Precoding 기법 (10) • Pre-coded STBC 기법 (cont’d) • 제안된 DFT 행렬을 이용하는 방법 • 코드북 설계 • 의 DFT 행렬 설계 • DFT 행렬의 (k, l) 번째 원소는 로 이루어져 있음 • 코드워드의 길이만큼의 열벡터를 선택함으로써 를 생성 • 선택 된 열벡터의 인덱스 where : 만족하는 임의의 상수 • : 로 이루어진 벡터 • u는 최소의 chordal distance 갖도록 함 • 조건 만족하는 precoding 행렬을 찾기 위해서는 개의 θ를 연산 필요
Precoding 기법 (11) • Pre-coded STBC 기법 (cont’d) • Rayleigh 페이딩 채널에서 precoding 기법의 BER 성능 • 송싱 안테나 2개, 수신 안테나 1개의 환경에서 Alamouti 부호 성능과 precoding 기법의 성능을 비교 • Precoding 사용시 성능 이득 얻음
Precoding 기법 (12) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 • SVD 기반 전송 기법 • 송신 안테나와 수신 안테나가 이고 채널 를 가정 • SVD 기반 MIMO 전송 시스템 • 송신신호 x는 v행렬과 곱한 후 송신 • 수신신호 • Σ가 로 정의될 때 잡음 전력 • NT 개의 부채널은 각각 고유치 만큼 잡음이 증폭된 인 잡음 전력 가짐
Precoding 기법 (13) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • SVD 기반 전송 기법 (cont’d) • SVD는 송,수신단에서 직교 행렬인 U,V를 곱하기 때문에 precoding 행렬로 인한 송신전력을 증가시키거나 특성을 변경하지 않음 • SVD 기법은 여러 채널들은 병렬로 분리시키는 기법 • SVD 기법은 각 부채널에 대해 전력할당을 하지 않을 경우에는 높은 SNR 영역에서 ZF (zero-forcing) 등화기와 동일한 성능을 보임 • ZF 등화기의 경우 잡음 증폭양 • 이것은 SVD의 경우와 다르고, 낮은 SNR 영역에서는 SVD와 ZF 등화기가 성능차이를 보임
Precoding 기법 (14) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • SVD 기반 전송 기법 (cont’d) • ZF 방법과 SVD 기반 송신기법의 BER 성능 비교 • 높은 SNR 영역에서는 두 기법의 BER 성능이 동일 • 낮은 SNR 영역에서는 SVD 기반의 송신기법의 성능이 더 우수
Precoding 기법 (15) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • 선형 사전등화 (pre-equalization) • 수신단 뿐 아니라 송신단에서도 사전등화를 수행할 수 있음 • 사전등화는 precoding과 동일한 의미 선형 precoding인 경우에 한해서 일반적으로 사전등화라고 함 • ZF 사전등화 • 송신신호 s • ZF 사전등화 행렬 W • β : 전체 전력제한이 NT일 때 사전등화를 통한 전체 송신전력에 변함이 없도록 하기 위한 상수 값 • 수신단에서 β 값으로 나눔으로써 수신신호의 메시지 신호 x를 복원
Precoding 기법 (16) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • 선형 사전등화 (pre-equalization) (cont’d) • ZF 사전등화 (cont’d) • 수신신호 y • ZF 사전등화는 모든 채널에 공통적인 행렬을 곱하므로 전력할당을 수행할 수 없음 • β값에 의한 잡음의 증폭현상은 수신단에서 ZF 등화와 동일하므로 BER 성능도 동일 • MMSE 사전등화 • 송신단에서 MMSE 사전등화기법을 사용할 경우에는 수신단의 MMSE 기법과는 달리 추가적으로 전체 전력제한이 고려됨 • MMSE 기반의 W • 전력제한이 고려되지 않은 최적 pre-MMSE 등화 행렬
Precoding 기법 (17) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • 선형 사전등화 (pre-equalization) (cont’d) • MMSE 사전등화 (cont’d) • 사전등화 행렬 W • ZF 기법과 동일하게 사전등화로 인한 전체전력 증가를 제한 • ZF / MMSE 기법과 pre-MMSE 기법의 BER 성능비교 • Pre-MMSE 등화를 수행한 결과 수신단에서의 ZF/MMSE 기법에 비해 성능 이득 얻음
Precoding 기법 (18) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • Tomlinson-Harashima Precoding • 비선형 기법인 TH precoding • 송신단에서 간섭신호를 미리 안다면 채널 용량에 영향을 주지 않음 • Costa의 정보이론 블록도 • 다중 간섭 채널에 적용 가능 • 다중 간섭 채널에서의 부화화는 순차적으로 진행됨 • 결론적으로 k 번째 신호를 고려할 때 1부터 k-1까지의 모든 간섭의 영향은 제거 될 수 있음
Precoding 기법 (19) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • Tomlinson-Harashima Precoding (cont’d) • 다중 간섭채널의 Costa의 블록도 • MIMO 채널에도 동일하게 적용 가능 • MIMO 시스템에서 송신단이 Costa precoding을 사용한다면 하위채널에서 상위채널로의 간섭은 발생하지 않음 • H를 하삼각행렬과 직교 행렬로 분해하고 Costa precoding을 적용하면 하위채널에서 상위채널로의 간섭을 제거할 수 있고 결국 대각행렬만 남음
Precoding 기법 (20) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • Tomlinson-Harashima Precoding (cont’d) • MIMO 채널 환경에서의 TH precoding • 송신신호벡터의 x와 대칭 modulo 연산의 정의 • 메시지 신호xk 는 M-ary QAM으로 변조된 신호로써 실수축과 허수축이 각각 의 [-A/2,A/2)의 경계로 이루어져 있고 이때 을만족 • 대칭 modulo연산의 예 • 경계 값을 넘는 점에 대하여 대칭적으로 modulo 연산을 수행
Precoding 기법 (21) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • Tomlinson-Harashima Precoding (cont’d) • MIMO 채널 환경에서의 TH precoding (cont’d) • 대칭 modulo연산 적용 (-A/2 ≤ x < A/2 값에 대해 대칭적으로 modulo 연산) • 주기적으로 확장된 성상도
Precoding 기법 (22) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • Tomlinson-Harashima Precoding (cont’d) • MIMO 채널 환경에서의 TH precoding (cont’d) • TH precoding후 입출력 관계 • B : H가 Costas precoding 혹은 TH precoding에 의해 간섭이 제거된 유효한 채널 행렬 • 행렬의 대각성분들이 1이 되도록 정규화된 행렬 • H에 대하여 QL decomposition을 수행하면 로분해되고 하삼각행렬인 L에 각각의 대각성분으로 나눠줌으로써 얻을 수 있음 • 직교행렬 Q를 수신신호 y에 곱함으로써 유효한 수신신호 얻음 • 유효채널 B를 통과하는 변조된 신호벡터s는 하위채널에서 상위채널로부터의 간섭이 제거됨으로써 얻음 • 첫 번째 신호가 두 번째, 세 번째 등 이후의 신호에 미치는 간섭이 제거됨으로써 얻음
Precoding 기법 (23) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • Tomlinson-Harashima Precoding (cont’d) • MIMO 채널 환경에서의 TH precoding (cont’d) • TH precoding에서는 변조된 신호벡터 s를 얻기 위해 추가적으로 대칭 modulo 연산을 수행 • 대칭 modulo 연산은 -A/2 ≤ sk < A/2 내에 존재 할 수 있도록 sk에 대하여 modulo연산을 수행 where s1= x1 • 일반화 • 수신단에서의 최상의 수신신호 where : B의 k번째 행
Precoding 기법 (24) • Pre-coded 공간 다중화 시스템 (cont’d) • Tomlinson-Harashima Precoding (cont’d) • MIMO 채널 환경에서의 TH precoding (cont’d) • bkk= 1, 최종적인 수신신호 • 따라서 대칭 modulo 연산을 통해 메시지 벡터 x를 복원 할 수 있음 • TH-precoding 블록도 • TH precoding 유효채널블록도 • 유효채널을 이용하여 간단히 표현
안테나 선택 기법 (1) • MIMO 시스템은 추가적인 주파수를 사용하지 않으며 전송률을 높이지만 추가적인 RF 모듈 등 높은 하드웨어 복잡도 요구 (RF 모듈은 일반적으로 고가) • 안테나 선택기법 • 여러 개의 RF장비를 제외한 구리선으로만 이루어진 안테나만을 설치하고 이 안테나 중에 몇 개를 선택함으로써 적은 수의 RF 모듈만을 사용하는 기법 • 송·수신 신호의 관계 식 • 총 NT개의 안테나 중에 P개 만을선택하여 송신
안테나 선택 기법 (2) • 안테나 선택 기법 적용 시 채널 용량 • 전체 송신전력이 P로 제한이 되어있을 때 안테나 선택기법에서의 채널용량 • RSS :P×P 로 이루어진 covariance 행렬 • Hi: H행렬의 선택된 열로 이루어진 effective 채널 • 채널에 대한 모든 정보를 알고 안테나마다 동일한 전력 사용 • RSS = IP • 채널용량 • 최대용량을 얻을 수 있게끔 H중 P개의 열을 선택하는 방법 • NCP 개조합에 대해 채널 용량을 모두 계산하여 비교 • 너무 많은 연산을 요구하므로 근사화한 방법 사용
안테나 선택 기법 (3) • 안테나 선택 기법 적용 시 채널 용량 (cont’d) • 기본적인 MIMO 시스템과 안테나 선택기법이 고려된 시스템의 채널 용량 • 안테나 선택기법이 고려된 경우 전체 4개의 가용 안테나에서 3개만 선택을 하더라도 채널 용량측면에서는 4개를 모두 사용하는 경우와 거의 동일한 성능 얻음
안테나 선택 기법 (4) • 선택 복잡도 감소 기법 • 최적 안테나 선택기법의 연산량을 줄이기 위한 기법 • 오름차순 선택기법과 내림차순 선택기법 • 오름차순 선택기법 • 처음에 하나를 선택하고 P개까지 점진적으로 추가시키는 방법 • n번 만큼 반복 수행하면 H의 채널 중 {p1,… pn} 만큼 선택됨 • 채널 H는 NR×n로 선택채널로 바뀌게 됨 • 추가적으로 l번째 안테나를 추가하기 위한 기준을 마련하기 위해 l번째 안테나가 고려된 채널 용량 • 위 유도과정에는 다음의 관계가 사용됨
안테나 선택 기법 (5) • 선택 복잡도 감소 기법 (cont’d) • 오름차순 선택기법 (cont’d) • 채널 용량을 최대화 하는 추가 열의 선택 • 위의 역행렬 연산을 효율적으로 하기 위해 다음 관계 사용 • 내림차순 선택기법 • 전체 채널 H중 가장 최소로 채널 용량을 감소시키는 채널부터 하나씩 제거해 나가는 기법 • 오름차순 선택기법의 채널용량 식에서 대신에를 대입 • 내림차순 선택기법은 처음부터 전체 채널을 고려하기 때문에 같은 반복수행을 실행했다면 오름차순 선택기법보다 더 많은 연산 복잡도를 요구 • 성능 면에서 내림차순이 우월 • 내림차순 선택기법은 모든 채널 열 간 영향을 고려하여 최소로 영향을 미치는 열부터 하나씩 빼나가지만 오름차순 선택기법은 처음 시작 때 독립적으로 각 열의 영향만 계산하여 선택하기 때문
안테나 선택 기법 (6) • STBC에서의 최소 오류 확률 • 안테나 선택기준으로 채널 용량을 최대화하는 기준뿐만 아니라 오류가 최소가 되도록 하는 기준 사용 • STBC의 한 종류인 OSTBC에서의 SER 확률의 upper bound • Ei,j : 코드워드인 S(i) 와 S(j) 의 차행렬 • 이는 고정된 값이므로 위의 bound는 SNR에 의해서만 영향 받음 • 선택된 채널 Hi, P개의 안테나를 사용할 때 각 안테나별 수신 SNR • 최소의 SER를 달성하기 위해서 가 최대가 되도록 안테나를 선택해야함
안테나 선택 기법 (7) • STBC에서의 최소 오류 확률 (cont’d) • 내림차순으로 정렬된 채널 중 P개의평균과 전체 평균과의 관계 • 전체 채널의 Frobenius norm과 선택된 채널의 Frobenius norm과의 관계 • 위의 두식을 결합하였을 때 최적의 안테나 선택기법의 SNR 상위와 하위 경계 식 • 상위 경계와 하위 경계 모두 전체 채널의 Frobenius norm의 영향을 받음
안테나 선택 기법 (8) • STBC에서의 최소 오류 확률 (cont’d) • Alamouti 부호를 이용한 안테나 선택기법의 BER 성능