KR101084780B1 - Method for high rate and low complex user scheduling using interference alignment in multi-antenna multi-transmitter multi-receiver wireless network - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크에서 간섭정렬을 이용한 저복잡도 스케줄링 방법에 관한 것으로, 간섭정렬 전처리기를 이용하여 높은 전송량과 최대 DoF(Degree of Freedom)를 얻고, 낮은 복잡도의 계산량으로 수신기를 스케줄링하기 위한 저복잡도 스케줄링 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to a low complexity scheduling method using interference alignment in a multi-antenna multiple transceiver wireless network, to obtain a high transmission rate and a maximum degree of freedom (DOF) using an interference alignment preprocessor, and to schedule a receiver with a low complexity calculation amount. It is intended to provide a low complexity scheduling method.
이를 위하여, 본 발명은, 수신기를 스케줄링하는 방법에 있어서, 각 채널 값을 추정하는 단계; 상기 추정한 채널 값을 이용하여 신호 스트림과 간섭 스트림 간의 각도를 구하는 각도 연산 단계; 상기 구한 신호 스트림과 간섭 스트림 간의 각도를 기반으로 스케줄링할 수신기를 송신기 개수만큼 순차적으로 하나씩 선택하는 스케줄링 단계; 및 상기 선택된 각 수신기에 대하여 반복 간섭정렬 알고리즘을 사용하여 빔형성 행렬을 계산하는 단계를 포함한다.To this end, the present invention provides a method for scheduling a receiver, comprising: estimating each channel value; Calculating an angle between the signal stream and the interference stream using the estimated channel value; A scheduling step of sequentially selecting receivers to be scheduled one by one based on the angle between the obtained signal stream and the interference stream; And calculating a beamforming matrix using an iterative interference alignment algorithm for each of the selected receivers.
무선 네트워크, 저복잡도 스케줄링, 채널 값 추정, 간섭정렬, 각도 연산, 수신기를 하나씩 선택 Select wireless network, low complexity scheduling, channel value estimation, interference alignment, angle calculation, receiver one by one
Description
본 발명은 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크 환경에서 수신기를 스케쥴링하기 위한 스케줄링 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 송수신기가 서로 간섭을 일으키는 무선 네트워크에서 최대 공간다중화 이득을 보장하며 동시에 전송량 이득도 얻기 위한 저복잡도 스케줄링 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a scheduling method for scheduling a receiver in a multi-antenna multi-transceiver wireless network environment. More particularly, the present invention relates to a method for guaranteeing maximum spatial multiplexing gain and a throughput gain in a wireless network in which a plurality of transceivers interfere with each other. A low complexity scheduling method.
일반적으로 무선 네트워크 시스템의 사용자 할당 방식은 여러 가지가 있다.In general, there are several user assignment schemes for wireless network systems.
이동통신 시스템에서는 셀 가장자리 사용자에게 심한 간섭을 주지 않기 위해서 주파수를 재사용한다. 만일, 주파수를 공통으로 사용하는 경우에는 주변 셀을 고려하여 간섭이 적도록 사용자를 선택한다. 이때, 하나의 셀만 고려하여 사용자를 선택할 수도 있고, 다수의 셀을 한꺼번에 고려하여 사용자를 선택할 수도 있다.In a mobile communication system, frequencies are reused in order not to cause severe interference to cell edge users. If the frequency is used in common, the user is selected to have less interference in consideration of neighboring cells. In this case, the user may be selected by considering only one cell, or the user may be selected by considering a plurality of cells at once.
하나의 셀만을 고려하여 사용자를 선택하는 경우에는 셀 간 간섭 모델로서 간섭 신호가 평균량으로 일정하게 들어온다는 가정 하에 선택하거나, 간섭 신호의 양이 미리 정한 양보다 적게 들어오도록 선택한다.When the user is selected by considering only one cell, the inter-cell interference model is selected under the assumption that the interference signal is constantly coming in as an average amount, or the amount of the interference signal is selected to be less than the predetermined amount.
다수의 셀을 고려하여 사용자를 선택하는 경우에는 셀 간 간섭 모델 대신에 기지국 간의 유선 백홀을 이용하여 필요한 정보를 전부 교환 가능하다는 가정 하에 하나의 셀과 같이 처리한다.When a user is selected in consideration of a plurality of cells, a single cell is processed under the assumption that all necessary information can be exchanged using a wired backhaul between base stations instead of an intercell interference model.
한편, 이때 사용자 선택을 위해 사용하는 선택 알고리즘의 종류도 다양하다. 사용자를 한명씩 성능이 좋도록 선택하는 방식, 또는 모든 사용자의 조합을 전부 계산하여 선택하는 방식 등이 있다.On the other hand, there are also various types of selection algorithms used for user selection. There is a method of selecting one user to have a good performance, or a method of calculating and selecting a combination of all users.
또한, 스케줄링 공식도 다양한 종류가 있다. 적당한 함수를 정의하여 그 양을 최대화하는 사용자를 선택하는 방식으로서, 전송량 최대화 방식 또는 공평성 최대화 방식 등이 있다.In addition, there are various kinds of scheduling formulas. As a method of selecting a user who maximizes the amount by defining an appropriate function, there is a method of maximizing a transmission amount or maximizing fairness.
그러나 이러한 전송량 최대화 방식 또는 공평성 최대화 방식들은 DoF(Degree of Freedom)를 고려하지 않음으로써 고 신호대잡음비(high SNR) 영역에서 더 이상 전송량이 증가하지 않거나, 또는 상당한 용량의 백홀의 존재가 필수적인 문제점이 있다.However, these transmission maximization methods or fairness maximization schemes do not consider the degree of freedom (DoF), so there is a problem in that the throughput is not increased any more in the high SNR region or the presence of a large capacity backhaul is essential. .
최근에 제안된 선형 간섭정렬 방식의 빔형성 행렬은 다중 안테나 간섭 채널에서 빔형성 행렬을 설계함에 있어서, 서로 다른 수신기의 간섭신호끼리 같은 벡터공간을 사용하도록 설계함으로써, 이론적 한계치의 DoF를 얻어서 고 신호대잡음비(high SNR) 영역에서도 꾸준히 전송량이 증가하도록 한다. 구체적으로는 채널이 각 전송기에 모두 정확히 알려진 3개의 송수신기 쌍으로 구성된 간섭 채널에서, i번째 수신기의 수신 신호가 하기의 [수학식 1]로 주어진다.Recently proposed beamforming matrix is designed to use the same vector space between interference signals of different receivers in designing the beamforming matrix in multi-antenna interference channel. In the high SNR region, the transmission amount is continuously increased. Specifically, in an interference channel in which the channel is composed of three transceiver pairs, all of which are exactly known to each transmitter, the received signal of the i-th receiver is given by
여기서, 상기 [수학식 1]의 우변은 신호, 간섭, 및 복소 정규분포 잡음으로 이루어져 있다. 는 j번째 송신기와 i번째 수신기 사이의 점대점 채널 행렬을 의미하고, 는 i번째 송신기의 빔형성 행렬, 는 i번째 송신기가 보내는 데이터 심볼을 의미한다. 간섭정렬은 수신 신호 중에서 수신 신호와 간섭이 서로 다른 벡터공간을 갖도록 송신 빔형성 행렬을 설계하는 방법으로, 하기의 [수학식 2]로 주어진다.Here, the right side of
이때, 은 열 벡터공간을 의미한다. 상기 [수학식 2]를 만족하는 경우에는, 수신기에서 간단한 선형 필터링을 통해 간섭 없는 신호를 복호할 수 있다.At this time, Means column vector space. If
그러나 이러한 종래의 방식은 수신기의 개수에 대한 제한이 있기 때문에 간섭채널 이외에는 적용할 수 없는 문제점이 있다.However, this conventional method has a problem in that it can not be applied other than the interference channel because of the limitation on the number of receivers.
전술한 바와 같이, 상기와 같은 종래 기술들은 DoF를 고려하지 않음으로써 고 신호대잡음비(high SNR) 영역에서 더 이상 전송량이 증가하지 않거나, 상당한 용량의 백홀의 존재가 필수적이며, 혹은 수신기의 개수에 대한 제한이 있기 때문에 간섭채널 이외에는 적용할 수 없는 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.As described above, such prior arts do not take into account DoF so that the amount of transmission no longer increases in the high SNR region, or the presence of a large amount of backhaul is necessary, or the number of receivers Since there is a limitation, there is a problem that cannot be applied other than an interference channel, and it is a problem of the present invention to solve such a problem.
따라서 본 발명은 간섭정렬 전처리기를 이용하여 높은 전송량과 최대 DoF를 얻고, 낮은 복잡도의 계산량으로 수신기를 스케줄링하기 위한 저복잡도 스케줄링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a low complexity scheduling method for obtaining a high transmission amount and a maximum DoF using an interference alignment preprocessor, and scheduling a receiver with a low complexity calculation amount.
즉, 본 발명은 합전송량을 최대화하는 수신기 스케줄링 방식의 복잡도를 낮추는 간단한 스케줄링 방식을 통하여 저복잡도로 전송량을 높이면서 최대한의 DoF를 보장하는 저복잡도 스케줄링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.That is, an object of the present invention is to provide a low complexity scheduling method that guarantees the maximum DoF while increasing the throughput with low complexity through a simple scheduling method that reduces the complexity of the receiver scheduling scheme for maximizing the total throughput.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. Also, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 수신기를 스케줄링하는 방법에 있어서, 각 채널 값을 추정하는 단계; 상기 추정한 채널 값을 이용하여 신호 스트림과 간섭 스트림 간의 각도를 구하는 각도 연산 단계; 상기 구한 신호 스트림과 간섭 스트림 간의 각도를 기반으로 스케줄링할 수신기를 송신기 개수만큼 순차적으로 하나씩 선택하는 스케줄링 단계; 및 상기 선택된 각 수신기에 대하여 반복 간섭정렬 알고리즘을 사용하여 빔형성 행렬을 계산하는 단계를 포함한다.The method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: estimating each channel value; Calculating an angle between the signal stream and the interference stream using the estimated channel value; A scheduling step of sequentially selecting receivers to be scheduled one by one based on the angle between the obtained signal stream and the interference stream; And calculating a beamforming matrix using an iterative interference alignment algorithm for each of the selected receivers.
상기와 같은 본 발명은, 송수신기들의 채널만 이용하여 선형 간섭정렬을 통하여 높은 전송량과 최대 DoF를 얻을 수 있고, 또한 낮은 복잡도의 계산량으로 수신기를 스케줄링할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention can obtain a high transmission amount and a maximum DoF through linear interference alignment using only channels of the transceivers, and also has the effect of scheduling a receiver with a low complexity calculation amount.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It can be easily carried out. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.In the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only a "directly connected" but also a "electrically connected" between other elements in between. In addition, when a part is said to "include" or "include" a certain component, it means that it may further include or have other components, without excluding other components, unless specifically stated otherwise. .
먼저, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 간섭정렬의 개념에 대하여 설명하면 다음과 같다.First, the concept of interference alignment will be described in order to help the understanding of the present invention.
도 1은 간섭정렬의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 선형 수신기의 투영 원리를 나타내는 도면이다.1 is a view for explaining the concept of interference alignment, Figures 2a and 2b is a view showing a projection principle of a linear receiver.
간섭정렬은 다중 안테나 다중 송수신기 간섭채널에서 간섭에 의한 영향을 줄이기 위한 송신기 알고리즘으로서, 송신 빔형성을 통하여 타 송신기로부터의 간섭신호를 같은 벡터공간에 넣음으로써 간단한 선형 수신기로 복호하는 방식이다. 이를 위해서, 모든 무선 링크의 채널 값을 모든 송신기가 공유해야 하며, 간섭정렬을 위한 빔형성 행렬을 계산해야 한다. 간섭정렬의 설명을 위해서 송신기와 수신기는 각 2개의 안테나를 가지고 있고, 각 송신기는 1개의 스트림을 각 수신기를 향해 전송하는 경우를 가정한다.The interference alignment is a transmitter algorithm for reducing the influence of interference in a multi-antenna multi-transceiver interference channel. The interference alignment is a method of decoding a simple linear receiver by inserting an interference signal from another transmitter into the same vector space through transmission beamforming. To this end, all transmitters must share the channel values of all radio links and calculate the beamforming matrix for interference alignment. For the description of the interference alignment, it is assumed that the transmitter and the receiver each have two antennas, and each transmitter transmits one stream toward each receiver.
도 1에 도시된 각 점선은 무선 점대점 채널을 나타낸다. 각 송신기에서 1개씩의 스트림을 빔에 실어 전송하는 경우, 무선 채널을 통과하면서 빔의 방향과 크 기가 변한다. 그에 따라, 각 수신기에서는 총 3개의 빔을 수신하게 되며, 그 중 1개의 빔만 신호 스트림이며, 나머지 2개의 빔은 간섭 스트림이다. 여기서, 만약 송신기에서 빔을 형성할 때 수신기에서 간섭 스트림이 정렬되도록 계산하여 전송한다면, 수신기에서는 송신기로부터 수신된 신호 스트림 1을 복호할 때 간섭 스트림으로 스트림 2와 스트림 3이 같은 방향을 향하고 있으므로, 선형 투영 수신 방법을 이용하여 간섭의 영향 없이 신호 스트림 1을 복호할 수 있다.Each dotted line shown in FIG. 1 represents a wireless point-to-point channel. When each transmitter carries one stream on a beam, the direction and size of the beam change while passing through a radio channel. Accordingly, each receiver receives a total of three beams, one of which is a signal stream, and the other two beams are interference streams. Here, if the transmitter calculates and transmits the interference stream to be aligned when the beam is formed at the transmitter, since the
이러한 간섭정렬을 위해서는 각 송신기가 모든 무선 링크의 채널 값을 피드백을 통해 알고 있어야 하며, 간섭이 존재하지 않는 2 x 2 채널의 경우 최대 2개의 신호 스트림을 동시에 전송할 수 있지만, 간섭 스트림의 정렬을 고려하여 1개의 스트림만 전송해야 하는 등과 같이 신호 스트림의 개수를 감소시켜야 한다.This interference alignment requires each transmitter to know the channel values of all radio links through feedback, and can transmit up to two signal streams simultaneously for 2 x 2 channels where no interference exists. Therefore, the number of signal streams should be reduced, such as only one stream should be transmitted.
K개의 송수신기 쌍과 모든 송수신기가 M개의 안테나를 가지고 있는 무선 네트워크 환경에서, i번째 수신기에서의 수신 신호는 하기의 [수학식 3]과 같다.In a wireless network environment where K transceiver pairs and all transceivers have M antennas, the received signal at the i th receiver is expressed by
여기서, 는 j번째 송신기와 i번째 수신기 간의 점대점 채널 행렬이며 그 크기는 M x M이고, 레일리 페이딩 계수를 원소로 갖는다. 여기서, 는 j번째 송신기의 전처리기 행렬(빔형성 행렬)을 나타내며, M x d의 크기를 가진다. 여기서, 는 j번째 송신기가 보내고자 하는 데이터 심볼로서 d x 1 벡터이다. 상기 [수학식 3]의 첫 번째 항은 신호 스트림이고, 두 번째 항은 간섭 스트림이며, 세 번째 항은 원형 대칭 복소 백색 정규 잡음 M x 1 벡터이다.here, Is a point-to-point channel matrix between the j th transmitter and the i th receiver, the size of which is M × M, and has Rayleigh fading coefficients as elements. here, Denotes a preprocessor matrix (beamforming matrix) of the j th transmitter and has a size of M xd. here, Is the data symbol that the j th transmitter wants to send and is a
이때, 간섭정렬의 조건을 하기의 [수학식 4]로 표현할 수 있다.At this time, the condition of the interference alignment can be expressed by
여기서, 는 열 벡터공간을 의미한다. 각 간섭 스트림이 형성하는 열 벡터공간이 일치하기 때문에, 수신 신호 를 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 간섭 스트림과 수직인 방향으로 선형 투영하면, 간섭 스트림의 영향이 전혀 없이 신호 스트림을 복호할 수 있다.here, Means column vector space. Received signal because the column vector space formed by each interference stream coincides Is linearly projected in a direction perpendicular to the interference stream as shown in Figs. 2A and 2B, it is possible to decode the signal stream without any influence of the interference stream.
상기 [수학식 4]를 만족하는 빔형성 방법에 대해서는 이미 논문으로 발표되어 있다[Cadambe and Jafar, Interference alignment and degrees of freedom of the K user interference channel, IEEE Transactions on information theory, Aug 2008]. 송신기 제어기가 모든 링크의 채널 값을 정확히 가지고 있는 경우에, K=3이고, M이 홀수인 경우에 상기 [수학식 4] 대신에 하기의 [수학식 5]의 충분조건인 유니타리 빔형성 행렬 을 계산한다.A beamforming method that satisfies
상기 [수학식 5]를 만족하는 빔형성 행렬은 하기의 [수학식 6]으로 주어진다.The beamforming matrix that satisfies
상기 [수학식 6]의 는 i번째 정규 기저이다.Of
만일, K=3이고, M이 홀수인 경우에는 2개의 시간 심볼을 묶어서 1개의 심볼로 만들어 사용한다. 이때, 채널값도 2개를 묶어서 하기의 1개의 큰 행렬로 사용한다.If K = 3 and M is odd, two time symbols are bundled and used as one symbol. At this time, two channel values are also used as one large matrix below.
따라서 상기 채널 는 2M x 2M인 블록 대각행렬이 되어, 짝수개의 안테나를 가진 경우와 동일한 방식으로 2M x M 빔형성 행렬 이 하기의 [수학식 7]로 주어진다.Thus the channel Becomes a block diagonal matrix of 2M x 2M, and the 2M x M beamforming matrix is performed in the same manner as with an even number of antennas. This is given by
상기 [수학식 4]를 보장하는 반복 간섭정렬 알고리즘도 제안되었다[Gomadam, Cadambe, and Jafar, Approaching the capacity of wireless networks through distributed interference alignment, preprint]. 송신기 제어기가 모든 링크의 채널 값을 정확히 가지고 있는 경우에, 반복 간섭정렬 알고리즘은 송신 빔형성 행렬과 수신 빔형성 행렬을 동시에 설계한다. 이때, 간섭정렬의 필요조건은 모든 송신기 k에 대해서 하기의 [수학식 8]로 표현한다.An iterative interference alignment algorithm to guarantee
여기서, 는 k번째 송신기의 유니타리 빔형성 행렬, 는 k번째 수신기의 유니타리 빔형성 행렬, 는 k번째 송신기가 보내는 신호 스트림의 개수, 는 켤레 전치 연산자이다.here, Is the kth transmitter Unitary beamforming matrix, Is the kth receiver Unitary beamforming matrix, Is the number of signal streams sent by the kth transmitter, Is the conjugate transposition operator.
도 3은 반복 간섭정렬 알고리즘에 대한 일실시예 흐름도이다.3 is a flow diagram of one embodiment of an iterative interference alignment algorithm.
여기서, 반복 간섭정렬 알고리즘은 송신기 제어기 내에서 도 3에 도시된 처리 과정에 따라 계산하여 빔형성 행렬을 정한다. 이때, 반복 간섭정렬 알고리즘은 공지의 기술이므로, 그 요지만을 간략하게 설명하기로 한다.Here, the iterative interference alignment algorithm determines the beamforming matrix by calculating according to the processing shown in FIG. 3 in the transmitter controller. At this time, since the iterative interference alignment algorithm is a known technique, only the gist will be briefly described.
먼저, "301" 과정에서는 각 송신기 j에서의 빔형성 행렬 를 임의로 생성한다.First, in the "301" process, the beamforming matrix at each transmitter j Generates randomly.
그리고 "302" 과정에서는 반복 간섭정렬 알고리즘을 시작한다.In
이후, "303" 과정에서는 각 송신기의 전력 와 신호 스트림 개수 에 대해서 간섭 분산 행렬을 계산한다. 여기서, 는 j번째 송신기에서 i번째 수신기로의 채널로서, M x M 행렬로 표시한다.Then, in
이후, "304" 과정에서는 상기 "303" 과정에서 계산한 간섭 분산 행렬의 d번째 고유 벡터를 k번째 수신기의 수신 빔 형성 행렬의 d번째 벡터로 사용하여 를 결정한다.Subsequently, in the “304” process, the d th eigenvector of the interference variance matrix calculated in the “303” process is used as the d th vector of the reception beamforming matrix of the k th receiver. .
이후, "305" 과정에서는 와 를 다시 정의한 후에 상기 "303" 과정과 "304" 과정에서 수행한 계산을 "306" 과정, "307" 과정, 및 "308" 과정을 통하여 반복 수행한다.After that, in the "305" process Wow After redefining, the calculations performed in steps "303" and "304" are repeatedly performed through steps "306", "307", and "308".
이후, 상기 "308" 과정을 통하여 얻은 와 상기 "302" 과정에서 이미 가지고 있던 의 차이가 거의 없어서 미리 정한 임계치 이내의 오차를 보이면 반복 간섭정렬 알고리즘은 종료한다. 만일, 그렇지 않은 경우 를 갱신하고 상기 "302" 과정으로 진행하여 반복 수행한다.Then, obtained through the "308" process And the "302" process already had If there is almost no difference and shows an error within a predetermined threshold, the iterative interference alignment algorithm ends. If not Is updated and the process proceeds repeatedly to step "302".
도 3을 참조하여 설명한 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)과 비슷한 빔형성 알고리즘이면서 더 높은 전송량을 보이는 변형된 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)도 동일 논문에서 제안되었다. 여기서, 상기 변형된 빔형성 알고리즘에서는 도 3에 도시된 "303" 과정과 "304" 과정의 수식을 하기의 [수학식 9] 및 [수학식 10]으로 수정하고, 도 3에 도시된 "306" 과정과 "307" 과정의 수식도 같은 방식으로 수정한다.A modified iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm), which is a beamforming algorithm similar to the iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm) described with reference to FIG. 3 and shows a higher transmission amount, has also been proposed in the same paper. In the modified beamforming algorithm, the equations of the "303" process and the "304" process shown in FIG. 3 are modified to the following
상기 [수학식 9] 및 [수학식 10]에서의 는 j번째 송신 빔형성 행렬의 d번째 벡터이다.In [Equation 9] and [Equation 10] Is the d-th vector of the j th transmit beamforming matrix.
다음으로, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.Next, the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 7.
도 4는 본 발명이 적용되는 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크의 일실시예 구성도이다.4 is a diagram illustrating an embodiment of a multi-antenna multiple transceiver wireless network to which the present invention is applied.
도 4에 도시된 바와 같이, 주파수 재사용 계수가 1인 다중 안테나 다중 사용자 하향링크를 고려한다.As shown in FIG. 4, a multi-antenna multi-user downlink having a frequency reuse factor of 1 is considered.
이때, 송신기 제어기(예 : 펨토셀 제어기)가 K=3개의 송신기(예 : 펨토셀)를 관리하고 있고, 각 송신기는 모두 합하여 L개의 수신기(사용자 단말)를 관리하고 있다. 이때, 송신기 제어기는 수신기로부터 각 무선 링크의 채널 값을 피드백받아서 스케줄링 공식을 통해 수신기를 스케줄링한다. 이때, 스케줄링한 수신기를 위한 빔형성 행렬은 송신기 제어기 혹은 송신기에서 실행할 수 있다. 빔형성 행렬의 계산은 전술한, 도 3의 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)이나 전송량을 최대화하기 위해 도 3의 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)을 변형한 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)을 사용한다. 이때, 송신기 하나는 수신기를 하나씩 선택하여 데이터를 전송해야 한다.At this time, the transmitter controller (eg femtocell controller) manages K = 3 transmitters (eg femtocell), and each transmitter manages L receivers (user terminals) in total. At this time, the transmitter controller receives the channel value of each radio link from the receiver and schedules the receiver through a scheduling formula. In this case, the beamforming matrix for the scheduled receiver may be executed by the transmitter controller or the transmitter. The calculation of the beamforming matrix is performed by the iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm) of FIG. 3 described above or the iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm) modified from the iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm) of FIG. 3 to maximize the amount of transmission. ). In this case, one transmitter should select one receiver to transmit data.
여기서, 송신기와 수신기는 안테나를 편의상 M=2개를 가지고 있다고 가정한 다. 또한, 모든 송신기는 d=1개의 신호 스트림을 보낸다고 가정한다. 여기서, 주파수 편평 채널을 가정하여 점대점 채널은 2 x 2 행렬로 주어지며, 채널 추정과 신호 동기는 완벽하다고 가정한다.Here, it is assumed that the transmitter and the receiver have M = 2 antennas for convenience. Also assume that all transmitters send d = 1 signal streams. Here, the point-to-point channel is assumed to be a 2 x 2 matrix assuming a frequency flat channel, and channel estimation and signal synchronization are assumed to be perfect.
도 5는 본 발명에 따른 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크에서 간섭정렬을 이용한 저복잡도 스케줄링 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a low complexity scheduling method using interference alignment in a multi-antenna multiple transceiver wireless network according to the present invention.
먼저, 각 수신기가 상응하는 각 송신기로 채널 값을 피드백하면(501), 각 송신기는 상응하는 수신기로부터의 채널 값을 처리하여 필요한 채널 값을 추정한다(502).First, when each receiver feeds back a channel value to each corresponding transmitter (501), each transmitter processes the channel value from the corresponding receiver to estimate the required channel value (502).
만일, 시간 분할 이중 통신의 경우, 수신기는 상향링크에서 미리 정의된 사운딩 채널을 사용하여, 각 송신기가 각 수신기로부터 들어오는 신호 및 간섭 채널을 모두 추정할 수 있도록 한다. 만일, 주파수 분할 이중 통신의 경우, 수신기는 미리 정의된 채널을 통해 채널 값을 미리 정의한 변조 방식대로 부호화하여 송신기가 복호할 수 있도록 한다. 이때, 번째 송신기가 추정하는 채널은 이다.In case of time division duplex communication, the receiver uses a predefined sounding channel in uplink, so that each transmitter can estimate both the signal and the interference channel coming from each receiver. In the case of frequency division duplex communication, the receiver encodes a channel value through a predefined channel according to a predefined modulation scheme so that the transmitter can decode it. At this time, Channel estimated by the first transmitter to be.
이후, 각 송신기는 상기 추정된 채널 값을 유선 백홀을 통하여 송신기 제어기로 전달한다(503). 따라서 송신기 제어기는 의 모든 채널 행렬을 전달받는다.Each transmitter then forwards the estimated channel value to the transmitter controller via a wired backhaul (503). So the transmitter controller All channel matrices of are passed.
한편, 송신기 제어기는 각 송신기로부터 전달받은 채널 값을 이용하여, L개 의 수신기 중에, 선형 간섭정렬에 기반한 스케줄링 공식 계산치를 최대화하는 수신기들을 K=3개 선택한다. 이때, 합전송량을 극대화하기 위한 간섭정렬 빔형성 행렬의 충분조건을 가장 잘 만족하는 수신기를 선택한다. 이를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, the transmitter controller selects K = 3 receivers among the L receivers that maximize the scheduling formula calculation based on linear interference alignment, using the channel values received from each transmitter. In this case, a receiver that best satisfies a sufficient condition of the interference alignment beamforming matrix is selected to maximize the sum transmission amount. Looking at this in more detail as follows.
예를 들어, 수신기에서 선형 투영 방식을 사용하기 때문에 전송량은 선형 투영 후의 신호 스트림의 크기와 관련이 있다. 전술한 바와 같이, 도 2a 및 도 2b는 간섭정렬 이후의 선형 투영 방식을 나타내고 있다. 신호 스트림 1을 복호하기 위해서 선형 투영하는 방향은 간섭 스트림 1과 수직한 방향의 벡터공간을 생각하며, 그 벡터공간으로 신호 스트림 1을 투영한다. 도 2a는 신호 스트림 1이 선형 투영된 후 신호 스트림 1'로 그 크기가 작아진 경우를 나타내며, 도 2b는 신호 스트림 2가 선형 투영된 후에도 신호 스트림 2'의 크기가 거의 보존된 경우를 나타낸다. 두 경우의 차이는 신호 스트림과 간섭 스트림이 이루는 각도에 의하여 결정된다. 따라서 수신기 스케줄링의 합전송량을 최대화하기 위한 수신기 선택 조건에는 간섭정렬하여 얻은 빔형성 행렬로 결정되는 신호 스트림과 정렬된 간섭 스트림이 최대한 90도를 이루는 조건이 필요하다. 이때, 2개 이상의 신호 스트림을 송신하는 경우 복소 벡터공간 사이의 각도의 계산은 하기의 [수학식 11]과 같이 한다.For example, since the receiver uses a linear projection scheme, the amount of transmission is related to the size of the signal stream after linear projection. As described above, FIGS. 2A and 2B illustrate a linear projection method after interference alignment. In order to decode the
여기서, d는 각 송신기가 전송하는 스트림의 개수, 는 d번째로 큰 특이값(여기서 특이값은 선형 투영된 후에 신호 스트림의 크기), 은 을 QR 분해한 후의 유니타리 정방 행렬 부분, 는 켤레 전치 연산자, 는 을 QR 분해한 후의 유니타리 정방 행렬 부분이다. 상기 [수학식 11]을 이용하여 얻은 값이 0에 가까울수록, 간섭정렬 이후에 얻을 전송량이 큰 성질을 가진다.Where d is the number of streams transmitted by each transmitter, Is the d-th largest singular value (where the singular value is the size of the signal stream after linear projection), silver Unitary square matrix portion after QR decomposition, Is the conjugate transposition operator, Is This is the unitary square matrix after QR decomposition. Obtained using
이때, 상기 [수학식 11]로 주어지는 의 값, 즉 상기 추정한 채널 값을 이용하여 신호 스트림과 간섭 스트림 간의 각도를 구한다(504). 특히, 는 선형 투영 후에 나타나는 신호 스트림의 크기를 나타내는 척도로 사용한다. 는 k번째 송신기에서 (k)번째 수신기로의 채널 행렬의 l번째 큰 특이값을 나타낸다. 여기서, (i)번째 수신기는 i번째 송신기가 선택한 수신기를 나타낸다.At this time, given by
전술한 바와 같이, 수신기 스케줄링을 위해서는 L개의 수신기 중 K개를 선택하여 형성한 수신기 군에 대해서 상기 [수학식 11]을 계산해야 한다. 이때, 모든 가능한 경우의 수는 으로서, 수신기의 수 L이 아주 큰 경우에는 모든 경우의 수에 대해 상기 [수학식 11]을 계산할 수 없다. 그러므로 본 발명에서는, 수신기 L개 중에서 K개의 수신기로 이루어진 하나의 수신기 군을 형성하는 방법 대신에, 상기 구한 신호 스트림과 간섭 스트림 간의 각도를 기반으로 스케줄링할 수신기를 순차적으로 1개씩 선택하는 방식을 사용한다(505). k+1번째 선택하는 수신기는 이미 선택된 (1),(2),...,(k) 수신기들과 최대한 간섭정렬 후 얻는 합전송량이 클 수 있도록 선택한다. 이 선택의 기준은 상기 [수학식 11]에 기반한 하기의 스케쥴링 공식인 [수학식 12]로 정한다.As described above, in order to perform receiver scheduling,
이때, 순차적으로 수신기를 1개씩 선택하면서 고려하는 경우의 수는 로 L에 대해 선형적으로 복잡도가 증가하기 때문에, L의 지수로 복잡도가 증가하는 가능한 모든 경우를 고려하는 방식보다 복잡도가 크게 감소한다.At this time, the number of cases to be considered while selecting one receiver sequentially Since the complexity increases linearly with respect to L, the complexity is significantly reduced compared to the case where all possible cases of increasing complexity with the exponent of L are considered.
한편, 수신기 스케줄링 공식은 예를 들어 (1), (2), (K=3)번 수신기를 결정하기 위해서 상기 [수학식 11]과 상기 [수학식 12]에 기반한 하기의 [수학식 13]을 이용한다.On the other hand, the receiver scheduling formula is, for example, to determine the receivers (1), (2), (K = 3), the following
여기서, P는 송신기가 가지는 전력을 의미하고, d는 송신기가 보내는 데이터 스트림의 개수를 의미한다. 는 k번째 송신기에서 (k)번째 수신기로의 점대점 채널의 특이값 분해 결과의 l번째 값을 나타낸다. 는 k번째 고려하는 수신기에서의 신호 벡터공간과 정렬된 간섭 벡터공간이 이루는 각도를 의미한다.Here, P means power of the transmitter, d means the number of data streams sent by the transmitter. Denotes the lth value of the singular value decomposition result of the point-to-point channel from the kth transmitter to the (k) th receiver. Denotes the angle formed by the interference vector space aligned with the signal vector space in the k-th receiver.
상기 "504" 과정과 "505" 과정을 반복 수행하여, 각 송신기와 각 송신기가 스케줄링할 수신기를 모두 결정한 이후에는(506), 하향링크 채널을 간섭채널로 볼 수 있으며, 따라서 각 수신기에 대한 빔형성 행렬을 도 3의 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)이나 전송량을 최대화하기 위해 도 3의 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)을 변형한 반복 간섭정렬 알고리즘(빔형성 알고리즘)을 사용하여 계산한다(507).After repeating the process "504" and "505" to determine both the transmitter and the receiver to be scheduled by each transmitter (506), the downlink channel can be viewed as an interference channel, and thus the beam for each receiver The formation matrix is calculated using the iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm) of FIG. 3 or the iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm) which is modified from the iterative interference alignment algorithm (beamforming algorithm) of FIG. 3 to maximize the amount of transmission. (507).
상기와 같이, 송신기 제어기가 수신기를 스케줄링하고 빔형성 행렬을 계산한 후에 스케줄링한 수신기 및 전송할 데이터를 각 송신기로 전달한다.As described above, after the transmitter controller schedules the receiver and calculates the beamforming matrix, the transmitter controller transmits the scheduled receiver and data to be transmitted to each transmitter.
그러면, 각 송신기가 주어진 데이터와 빔 형성 행렬을 토대로 스케줄링된 수 신기와 통신을 수행한다.Each transmitter then communicates with the scheduled receiver based on the given data and beamforming matrix.
전술한 모든 스케줄링 및 빔형성 행렬의 계산은 송신기 제어기에서 일어날 수 있으며, 혹은 송신기 제어기 없이도 각 송신기가 유선 백홀을 통하여 타 링크의 채널 값들을 전달받는 경우, 각 송신기에서 계산할 수도 있다. 또한, K=3인 경우에 대하여 예시를 들었지만, 본 발명의 방법은 K>3인 경우에도 적용할 수 있다.All of the aforementioned scheduling and beamforming matrix calculations may occur at the transmitter controller, or may be calculated at each transmitter when each transmitter receives channel values of another link through the wired backhaul without the transmitter controller. In addition, although the example was given about the case of K = 3, the method of this invention is applicable also to the case of K> 3.
다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 성능을 타 방식과 비교하여 살펴보면 다음과 같다.Next, the performance of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7 as compared with other methods.
도 6은 수신기들이 SNR=5dB에 분포하는 경우의 성능 비교 그래프이고, 도 7은 수신기들이 SNR=10dB에 분포하는 경우의 성능 비교 그래프이다.FIG. 6 is a performance comparison graph when receivers are distributed at SNR = 5dB, and FIG. 7 is a performance comparison graph when receivers are distributed at SNR = 10dB.
본 발명에 따른 수신기 선택 방식의 성능 검증을 위하여, 도 4에 도시된 바와 같은 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크 상황을 가정하였다. 주파수를 재사용하는 K=3개의 송신기가 L개의 수신기 중에서 K개의 수신기를 선택한다. 이때, 송신기 간의 협력 통신은 가정하지 않으며, 각 송신기는 유선 백홀로 연결되어 있어서, 수신기의 채널 피드백 값을 에러 및 지연 없이 서로 다른 송신기와 공유할 수 있다고 가정한다. 수신기는 모두 같은 공간적 분포를 가지고 있어서 평균 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 5dB와 10dB로 각각 모두 일정하다고 가정한다. 그리고 송신기와 수신기는 모두 안테나를 2개씩 가지고 있다고 가정한다.In order to verify the performance of the receiver selection method according to the present invention, it is assumed a multi-antenna multiple transceiver wireless network as shown in FIG. K = 3 transmitters that reuse frequency select K receivers out of L receivers. In this case, it is assumed that cooperative communication between transmitters is not assumed, and that each transmitter is connected by wired backhaul so that the channel feedback value of the receiver can be shared with different transmitters without errors and delays. Since the receivers all have the same spatial distribution, it is assumed that the average signal-to-noise ratio (SNR) is constant at 5 dB and 10 dB, respectively. It is assumed that both the transmitter and the receiver have two antennas.
본 발명의 방식은 전술한 방식을 따르며, 2개의 기존 시스템과 합전송량을 비교한다. 첫 번째로는 모든 수신기 조합에 대해서 간섭정렬 및 빔형성 행렬을 모 두 계산하여 얻은 합전송량이 최대화되는 수신기 조합을 선택하는 방식이다. 이러한 첫 번째 방식은 L(L-1)(L-2)가지 수를 모두 조사한다. 두 번째로는 수신기 공평성이 최대화되도록 채널 값에 관계없이 무작위로 1개의 수신기 조합을 선택하는 방식이다.The scheme of the present invention follows the scheme described above and compares the sum of transmissions with the two existing systems. The first method is to select a receiver combination that maximizes the sum of transmissions obtained by calculating both interference alignment and beamforming matrix for all receiver combinations. This first method examines all L (L-1) (L-2) types. Second, one receiver combination is randomly selected regardless of the channel value to maximize receiver fairness.
수신기 조합을 선택한 이후에, 간섭정렬 빔형성 방법은 상기 [수학식 9]와 상기 [수학식 10]에 기반하여 변형한 도 3의 알고리즘을 사용하였다.After selecting the receiver combination, the interference alignment beamforming method used the algorithm of FIG. 3 modified based on
그래프의 x축은 3개의 송신기가 선택할 수 있는 수신기의 수를 나타내었으며, y축은 평균 합전송량을 bit/sec/Hz로 나타내었다. 도 5 및 도 6에서의 ◇ 커브가 첫 번째 비교 시스템의 성능이고, + 커브가 두 번째 비교 시스템의 성능이다. 본 발명의 방식은 o 커브로 나타내었다.The x-axis of the graph shows the number of receivers that can be selected by three transmitters, and the y-axis shows the average sum of transmissions in bit / sec / Hz. The curves in FIGS. 5 and 6 are the performance of the first comparison system, and the + curve is the performance of the second comparison system. The scheme of the present invention is represented by o curve.
수신기들이 SNR=5dB에 분포하는 경우(도 6 참조), 송신기가 평균 3개씩 수신기를 가지고 있는 경우의 본 발명의 성능은 첫 번째 비교 시스템 대비 11.9% 전송량이 열화되었고, 두 번째 비교 시스템 대비 30.6% 전송량 개선이 있었다.When the receivers are distributed at SNR = 5 dB (see Fig. 6), the performance of the present invention when the transmitter has three receivers on average is 11.9% compared to the first comparison system, and 30.6% compared to the second comparison system. There was a traffic improvement.
수신기들이 SNR=10dB에 분포하는 경우(도 7 참조), 송신기가 평균 3개씩 수신기를 가지고 있는 경우의 본 발명의 성능은 첫 번째 비교 시스템 대비 13.5% 전송량이 열화되었고, 두 번째 비교 시스템 대비 21.8% 전송량 개선이 있었다.In case the receivers are distributed at SNR = 10dB (see Fig. 7), the performance of the present invention when the transmitter has three receivers on average is 13.5% compared to the first comparison system, and 21.8% compared to the second comparison system. There was a traffic improvement.
첫 번째 시스템의 경우 최적의 조합을 찾기 때문에 합전송량뿐만 아니라 최대 다중사용자 다양화 이득을 보임을 알 수 있는데, 본 발명의 방식도 같은 정도의 다중사용자 다양화 이득을 보이는 것을 실험적으로 확인할 수 있다.In the case of the first system, it can be seen that the optimal combination is found, and thus the maximum multi-user diversification gain as well as the sum transmission amount.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.On the other hand, the method of the present invention as described above can be written in a computer program. And the code and code segments constituting the program can be easily inferred by a computer programmer in the art. In addition, the written program is stored in a computer-readable recording medium (information storage medium), and read and executed by a computer to implement the method of the present invention. The recording medium may include any type of computer readable recording medium.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
본 발명은 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크 환경에서 수신기 스케줄링 등에 이용될 수 있다.The present invention can be used for receiver scheduling in a multi-antenna multi-transceiver wireless network environment.
도 1은 간섭정렬의 개념을 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining the concept of interference alignment,
도 2a 및 도 2b는 선형 수신기의 투영 원리를 나타내는 도면,2a and 2b show the projection principle of a linear receiver,
도 3은 반복 간섭정렬 알고리즘에 대한 일실시예 흐름도,3 is a flow diagram of an embodiment of an iterative interference alignment algorithm;
도 4는 본 발명이 적용되는 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크의 일실시예 구성도,4 is a configuration diagram of an embodiment of a multi-antenna multiple transceiver wireless network to which the present invention is applied;
도 5는 본 발명에 따른 다중 안테나 다중 송수신기 무선 네트워크에서 간섭정렬을 이용한 저복잡도 스케줄링 방법에 대한 일실시예 흐름도,5 is a flowchart illustrating a low complexity scheduling method using interference alignment in a multi-antenna multiple transceiver wireless network according to the present invention;
도 6은 수신기들이 SNR=5dB에 분포하는 경우의 성능 비교 그래프이고,6 is a performance comparison graph when receivers are distributed at SNR = 5 dB,
도 7은 수신기들이 SNR=10dB에 분포하는 경우의 성능 비교 그래프이다.7 is a performance comparison graph when receivers are distributed at SNR = 10 dB.
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