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KR102287791B1 - An Enhanced Jacobi Precoder for Downlink Massive MIMO Systems - Google Patents

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KR102287791B1
KR102287791B1 KR1020210056577A KR20210056577A KR102287791B1 KR 102287791 B1 KR102287791 B1 KR 102287791B1 KR 1020210056577 A KR1020210056577 A KR 1020210056577A KR 20210056577 A KR20210056577 A KR 20210056577A KR 102287791 B1 KR102287791 B1 KR 102287791B1
Authority
KR
South Korea
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matrix
equation
estimation
precondition
technique
Prior art date
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KR1020210056577A
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Korean (ko)
Inventor
송형규
박찬엽
정지성
신범식
Original Assignee
세종대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 대용량 MIMO 시스템에서 선형 ZF 기법의 복잡도를 낮추기 위한 근사화 기법 중 JC 기법의 새로운 형태를 제안하며 추정 정확도를 높이는 가중치를 계산하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 프리컨디셔닝 기법을 통해 JC의 수렴 속도를 높일 수 있다. 또한 사용자수가 많아질? 성능이 급격하게 하락하는 JC의 단점을 보안 할수 있다. 목표 BER을 충족시키는 반복횟수를 줄이는 것으로 ZF 프리코딩 기법의 전체적인 복잡도를 크게 낮출 수 있다.
본 발명의 가중치를 적용한 JC 기법은 기존 병렬 실행이 가능한 IM 기법과 동일한 계산 복잡도에 오류 성능이 더 좋다. 결과적으로 본 발명에서 제안된 JC기법은 기존의 기존 병렬 실행이 가능한 IM 기법과 거의 동일한 복잡도를 요구하며 기존의 기법보다 오류 성능을 높일 수 있다는 이점이 있다. 또한, 완벽한 역행렬을 요구하는 ZF 기법의 복잡도보다 낮은 복잡도를 요구하는 것을 [도 3]를 통해 확인할 수 있다.
The present invention relates to a method of calculating a weight for increasing estimation accuracy by proposing a new form of the JC technique among approximation techniques for reducing the complexity of the linear ZF technique in a large-capacity MIMO system.
According to the present invention, it is possible to increase the convergence speed of JC through the preconditioning technique. Also, will the number of users increase? It is possible to secure the shortcomings of JC, in which the performance rapidly decreases. By reducing the number of iterations that satisfy the target BER, the overall complexity of the ZF precoding technique can be greatly reduced.
The JC method to which the weights of the present invention are applied has better error performance with the same computational complexity as the existing IM method capable of parallel execution. As a result, the JC technique proposed in the present invention requires almost the same complexity as the existing IM technique capable of parallel execution, and has the advantage of improving error performance compared to the existing technique. In addition, it can be seen through [Fig. 3] that a complexity lower than that of the ZF technique requiring a perfect inverse matrix is required.

Description

대용량 하향링크 MIMO 시스템을 위한 향상된 Jacobi 프리코더 {An Enhanced Jacobi Precoder for Downlink Massive MIMO Systems}An Enhanced Jacobi Precoder for Downlink Massive MIMO Systems

본 발명은 대용량 MIMO 시스템에서 Jacobi 알고리즘 기반의 효율적 프리코더 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하향링크 대용량 MIMO 시스템에서 오류 성능을 향상시키기 위한 효율적 프리코더 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an efficient precoder based on the Jacobi algorithm and a method therefor in a large-capacity MIMO system, and more particularly, to an efficient precoder and method for improving error performance in a downlink large-capacity MIMO system.

MIMO 시스템은 무선 통신에 널리 사용되고 있다. MIMO 에서 진보된 기술인 대용량 MIMO는 기지국에서 수백 개의 안테나를 사용하고 많은 사용자에게 데이터를 전송하는 기술이다. 기지국에서 수백개의 안테나를 사용하는 덕분에 대용량 MIMO 시스템은 기존 시스템 보다 스펙트럼 과 에너지 효율이 더 높다. 하향링크 시스템에서는 다중 사용자에게 데이터를 전송하기 위해 기지국은 사용자간 간섭 IUI(Inter User Interference)를 제거하기 위해 미리 프리코딩을 수행해야만 한다. 단일 셀 환경에서 대용량 MIMO 채널 속성이 점근 직교성을 갖기 ?문에 ZF(zero forcing) 기법이 최적의 성능을 가진다.MIMO systems are widely used in wireless communication. Massive MIMO, an advanced technology from MIMO, is a technology in which a base station uses hundreds of antennas and transmits data to many users. Thanks to the use of hundreds of antennas at the base station, the high-capacity MIMO system has higher spectral and energy efficiency than conventional systems. In a downlink system, in order to transmit data to multiple users, the base station must perform precoding in advance to remove Inter User Interference (IUI). Since the large-capacity MIMO channel property has asymptotic orthogonality in a single-cell environment, the zero forcing (ZF) technique has optimal performance.

그러나, ZF를 실행하기 위해서는 채널의 의사 역행렬을 구해야만 하며, 이 과정의 계산 복잡도는 사용자 수의 세제곱에 비례한다. 따라서 많은 사용자에게 서비스를 제공하는 대용량 MIMO 시스템에서 ZF는 높은 계산 복잡도를 요구한다. 이를 해결하기 위해 IM(Iteration Method)로 선형 식을 근사하는 기법이 개발되었으며 낮은 복잡도로 ZF에 준하는 오류성능을 만족할 수 있다. 그중 Jacobi(JC)기법은 낮은 복잡도와, 병렬 처리가 가능하며 ZF에 준하는 성능을 낼 수 있다.However, in order to implement ZF, it is necessary to obtain a pseudo inverse matrix of the channel, and the computational complexity of this process is proportional to the cube of the number of users. Therefore, in a large-capacity MIMO system that provides services to many users, ZF requires high computational complexity. To solve this problem, a method for approximating a linear expression using IM (Iteration Method) has been developed, and it can satisfy the error performance equivalent to ZF with low complexity. Among them, the Jacobi (JC) method has low complexity, parallel processing, and performance comparable to ZF.

그러나 이러한 JC 기법도 사용자수와 기지국 안테나수의 비율 이 증가할수록 오류 성능이 급격히 저하하며, 일정 비율이 넘어가게 되면 심하게는 신호 추정을 못하게 된다.However, even in this JC technique, as the ratio of the number of users to the number of base station antennas increases, the error performance rapidly deteriorates, and when the ratio exceeds a certain ratio, signal estimation is seriously impossible.

한국등록특허공보 제 10-0950245호(2010.03.23.)Korea Patent Publication No. 10-0950245 (2010.03.23.)

본 발명은 사용자수와 기지국 안테나수의 일정 비율이 넘어감에 따라 오류 성능이 저하되는 것을 대비하여 근사화 기법의 추정 정확도를 높이는 것으로 대용량 MIMO 시스템에서 JC 기반의 효율적 프리코더를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an efficient JC-based precoder in a large-capacity MIMO system by increasing the estimation accuracy of an approximation technique in preparation for deterioration in error performance as the number of users and the number of base station antennas exceeds a certain ratio.

본 발명은, 하향링크 대용량 MIMO 시스템을 기반으로 하는 선형 ZF 프리코딩 기법의 높은 복잡도를 낮추기 위해 병렬 처리가 가능한 반복적인 알고리즘인, JC 기법을 기반으로 프리코더를 설계하여 진행한다. The present invention proceeds by designing a precoder based on the JC technique, which is an iterative algorithm capable of parallel processing in order to reduce the high complexity of the linear ZF precoding technique based on the downlink large-capacity MIMO system.

JC의 수렴속도를 높이기 위해, IM(iteration Method)의 수렴속도와 반비례하는 선형 방정식의 조건수와, 각 IM에서 곱해지는 반복 행렬(iteration matrix)의 스펙트럼 반지름(spectral radius)을 낮추는 방법인 프리컨디션(precondition) 알고리즘을 이용한다. Richardson(RI)를 기반으로 polynomial Expansion(PE)을 통해 프리컨디션 행렬을 구한 후 이를 선형 식에 곱한 후 JC기반으로 선형 근사 해를 구한다.In order to increase the convergence speed of JC, the condition number of the linear equation that is inversely proportional to the convergence speed of the IM (iteration method) and the precondition, a method of lowering the spectral radius of the iteration matrix multiplied by each IM (precondition) algorithm is used. Based on Richardson (RI), the precondition matrix is obtained through polynomial expansion (PE), multiplied by a linear expression, and then a linear approximation solution is obtained based on JC.

본 발명에서 프리컨디션 행렬은 기지국과 사용자 사이의 채널 행렬(H)을 기초로 계산된 W 행렬(

Figure 112021050822936-pat00001
)의 추정 역행렬(W-1)을 구하는 것을 목적으로 하며 PE를 이용하여 구한 프리컨디션 행렬은 아래 수학식으로 정의될 수 있다.In the present invention, the precondition matrix is a W matrix calculated based on the channel matrix (H) between the base station and the user (
Figure 112021050822936-pat00001
) for the purpose of obtaining the estimated inverse matrix (W -1 ), and the precondition matrix obtained using PE may be defined by the following equation.

Figure 112021050822936-pat00002
Figure 112021050822936-pat00002

여기서,

Figure 112021050822936-pat00003
는 이완 매개 변수로, RI를 기반으로
Figure 112021050822936-pat00004
(Nt는 기지국 안테나 수, K는 사용자 수), D는 W의 대각 행렬 이다.here,
Figure 112021050822936-pat00003
is the relaxation parameter, based on RI
Figure 112021050822936-pat00004
(N t is the number of base station antennas, K is the number of users), D is a diagonal matrix of W.

본 발명에 따르면, 근사화 기법의 수렴 속도를 높이기 위해 프리컨디션 방법을 이용하여 프리컨디션 행렬이 곱해진 선형 식에 JC기법을 적용하면 기존의 JC 기법보다 수렴 속도를 높여 에러 성능을 높일 수 있으며, 사용자수와 기지국 안테나수의 일정 비율이 넘어가도 성능을 낼 수 있으며 다른 병렬 처리가 되는 IM 기법들 보다 성능을 높일 수 있다.According to the present invention, in order to increase the convergence speed of the approximation technique, if the JC technique is applied to the linear expression multiplied by the precondition matrix using the preconditioning method, the error performance can be increased by increasing the convergence speed compared to the conventional JC technique, and the user Performance can be achieved even when a certain ratio of the number and number of base station antennas is exceeded, and performance can be improved compared to other parallel processing IM methods.

이러한 본 발명은 기존의 ZF 프리코딩과 유사한 성능을 얻기 위해 요구되는 JC 기법의 반복횟수를 줄이며, 사용자수가 많은 환경에서도 JC 기법을 적용 할 수 있는 이점이 있다.The present invention reduces the number of repetitions of the JC technique required to obtain performance similar to that of the conventional ZF precoding, and has the advantage that the JC technique can be applied even in an environment with a large number of users.

[도 1]은 하향링크 대용량 MIMO 시스템 송수신 모델을 나타낸다.
[도 2]는 본 발명에서 제시된 기법의 과정에 관한 정확한 이해를 돕기 위해 간략한 순서도를 나타낸 것이다.
[도 3]는 본 발명에서 제시된 기법과 기존의 IM 기법 간의 복잡도 차이를 표로 나타낸다.
[도 4]는 IM의 반복 행렬의 1차항과 2차항에 대각성분을 추가하여 보완한 precondition 행렬과 W을 곱한 행렬의 조건수를 사용자수에 따라 나타낸다.
[도 5]는 IM에서 곱해지는 반복행렬의 스펙트럼 반지름을 사용자 수에 따라 나타낸 것이다.
[도 6]와 [도 7]은 다른 변조 차수에 대하여, 기존의 IM 기법들과 본 발명에서 제시된 기법 간의 SNR에 따른 BER 성능차이를 그래프로 나타낸 것이다.
[Figure 1] shows a downlink high-capacity MIMO system transmission/reception model.
[Figure 2] shows a simplified flowchart to help the accurate understanding of the process of the technique presented in the present invention.
[Fig. 3] shows the difference in complexity between the scheme presented in the present invention and the existing IM scheme in a table.
[Fig. 4] shows the precondition matrix supplemented by adding diagonal components to the first and second terms of the repetition matrix of the IM and the number of conditions in the matrix multiplied by W according to the number of users.
[Fig. 5] shows the spectrum radius of the repetition matrix multiplied by the IM according to the number of users.
[Fig. 6] and [Fig. 7] are graphs showing the difference in BER performance according to SNR between the existing IM techniques and the technique presented in the present invention for different modulation orders.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.With reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them.

1. 디지털프리코더부1. Digital precoder unit

MIMO 시스템에서 다수의 송신부와 수신부가 존재하기 때문에 사용자간 간섭 IUI(Inter User Interference)이 발생하게 된다. 이러한 간섭을 제거하기 위해 송신부에서 프리코더부를 통하여 송신신호에 프리코딩을 수행하여 신호들이 서로 간섭을 일으키지 않도록 한다. 본 발명에서의 송신부는 기지국(120)이고, 수신부는 단일 안테나를 가지고 있는 사용자(130)이다.Since a plurality of transmitters and receivers exist in a MIMO system, Inter User Interference (IUI) occurs. In order to remove such interference, the transmitter performs precoding on the transmit signal through the precoder unit so that the signals do not interfere with each other. In the present invention, the transmitting unit is the base station 120 , and the receiving unit is the user 130 having a single antenna.

도 1은 하향링크 대용량 MIMO 시스템 송수신 모델을 나타낸 것이다. 신호를 송신하는 기지국(120)으로 K개의 데이터 스트림(110)이 전달되고, 기지국(120)은 Nt개의 송신 안테나를 가지고 있으며,안테나를 통하여 K개의 사용자(130)로 데이터 스트림을 전달한다.(

Figure 112021050822936-pat00005
)1 illustrates a downlink high-capacity MIMO system transmission/reception model. K data streams 110 are transmitted to the base station 120 that transmits the signal, the base station 120 has N t transmit antennas, and transmits the data streams to the K users 130 through the antennas. (
Figure 112021050822936-pat00005
)

이때, 기지국이 가지고 있는 디지털 프리코더를 통하여 송신 신호를 프리코딩한다. 프리코딩을 하기 위해서 기지국은 각 사용자의 채널 정보(공간 채널)를 모두 알고 있다고 가정한다. At this time, the transmission signal is precoded through the digital precoder of the base station. For precoding, it is assumed that the base station knows all the channel information (spatial channel) of each user.

본 발명에서는 기지국 내에 장착되어 있는 디지털 프리코더에서 프리컨디션 행렬을 생성하고, 프리코딩하는 과정에 관한 발명이다.The present invention relates to a process of generating and precoding a precondition matrix in a digital precoder installed in a base station.

1.1. 종래 기술 ZF 프리코딩 기법1.1. Prior art ZF precoding technique

사용자가 수신받는 수신 신호 벡터는 수학식 1과 같이 나타내진다.The received signal vector received by the user is expressed as Equation (1).

Figure 112021050822936-pat00006
Figure 112021050822936-pat00006

수신 신호 벡터 (y)는

Figure 112021050822936-pat00007
(K행,1열) 크기의 벡터로 나타나진다. 이때, P는 기지국의 송신 전력, H
Figure 112021050822936-pat00008
크기의 사용자의 채널 정보를 담고 있는 채널 행렬, s는
Figure 112021050822936-pat00009
크기의 프리코딩 된 송신 신호 벡터, n은 평균이 0이고 분산이 1인
Figure 112021050822936-pat00010
크기의AWGN(Additive White Gaussian Noise) 벡터를 나타낸다.The received signal vector (y) is
Figure 112021050822936-pat00007
It is expressed as a vector of size (K rows, 1 column). At this time, P is the transmission power of the base station, H is
Figure 112021050822936-pat00008
Channel matrix containing the user's channel information of size, s is
Figure 112021050822936-pat00009
A precoded transmit signal vector of magnitude, n, with mean 0 and variance 1
Figure 112021050822936-pat00010
Represents an AWGN (Additive White Gaussian Noise) vector of magnitude.

수학식 1을 통해서 송신 신호에 채널 행렬에 의사 역행렬을 곱해줌으로써, 신호간섭을 제거할 수가 있다. 따라서, ZF 기법에서 프리코딩된 송신 신호 벡터는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Signal interference can be removed by multiplying a transmission signal by a pseudo-inverse matrix by a channel matrix through Equation (1). Accordingly, the transmission signal vector precoded in the ZF technique can be expressed as Equation 2 below.

Figure 112021050822936-pat00011
Figure 112021050822936-pat00011

여기서,

Figure 112021050822936-pat00012
는 에르미트(Hermitian) 변환을 나타내는 것이다. 에르미트 변환행렬은, 기존의 행렬 H의 켤레 전치 행렬이다. 즉, 기존의 행렬 H의 각 원소에 대하여 켤레 값을 가지며, 본래의 행렬의 행과 열을 바꿔 전치 한 것이다. here,
Figure 112021050822936-pat00012
is a Hermitian transformation. The Hermitian transformation matrix is a conjugate transpose matrix of the existing matrix H. That is, it has a conjugate value for each element of the existing matrix H, and transposes the rows and columns of the original matrix.

x는 평균이 0이고 분산이 1인

Figure 112021050822936-pat00013
크기의 심볼(Symbol) 벡터, W는 추정행렬로,
Figure 112021050822936-pat00014
크기의 행렬이며
Figure 112021050822936-pat00015
로 정의되고,
Figure 112021050822936-pat00016
Figure 112021050822936-pat00017
로 송신 전력을 제한하는 스케일링 팩터(scailing factor)이며 tr(W-1)의 값을 가진다.
Figure 112021050822936-pat00018
는 기댓값이고,
Figure 112021050822936-pat00019
는 행렬 대각 성분의 총 합을 나타낸다. x has mean 0 and variance 1
Figure 112021050822936-pat00013
Symbol vector of size, W is the estimation matrix,
Figure 112021050822936-pat00014
is a matrix of size
Figure 112021050822936-pat00015
is defined as
Figure 112021050822936-pat00016
Is
Figure 112021050822936-pat00017
It is a scaling factor that limits the transmit power to , and has a value of tr(W -1 ).
Figure 112021050822936-pat00018
is the expected value,
Figure 112021050822936-pat00019
is the sum of the matrix diagonal components.

하향링크에서는 송수신을 위해 위와 같이 정의된 채널을 이용하여 수학식 2와 같이 송신 심볼(x)을 프리코딩 하여 전송한다. 하지만, 대용량 MIMO 시스템인 경우에는 수용 가능한 사용자 수(K )가 증가함에 따라 ZF 기법에서 요구되는 정확한 추정 역행렬(W-1 )의 연산 복잡도가 O(K 3 )으로 높다. 여기서,

Figure 112021050822936-pat00020
는 점근 표기법(big O)를 나타내며 알고리즘의 복잡도를 간소화하기 위해 사용된다.In the downlink, a transmission symbol (x) is precoded and transmitted as in Equation 2 using the channel defined as above for transmission and reception. However, in the case of a large-capacity MIMO system, as the number of acceptable users (K ) increases, the computational complexity of the accurate estimation inverse matrix (W −1 ) required in the ZF technique is high as O(K 3 ). here,
Figure 112021050822936-pat00020
denotes asymptotic notation (big O) and is used to simplify the complexity of the algorithm.

하향링크에서는 송수신을 위해 위와 같이 정의된 채널을 이용하여 수학식 2와 같이 송신 심볼(x)을 프리코딩하여 전송한다. ZF 프리코딩 기법에서는 프리코딩을 하기 위하여 추정 역행렬 W-1를 구하여야 하는데 사용자 수(K)가 증가함에 따라 정확한 추정 역행렬(W-1 )의 연산 복잡도가 O(K 3 )으로 높다. (여기서,

Figure 112021050822936-pat00021
는 점근 표기법(big O)를 나타내며 알고리즘의 복잡도를 간소화하기 위해 사용된다.)In the downlink, a transmission symbol (x) is precoded as in Equation 2 using the channel defined as above for transmission and reception, and then transmitted. In the ZF precoding technique, it is necessary to obtain an estimation inverse matrix W -1 for precoding. As the number of users (K) increases, the computational complexity of the accurate estimation inverse matrix (W -1 ) is high as O(K 3 ). (here,
Figure 112021050822936-pat00021
stands for asymptotic notation (big O) and is used to simplify the complexity of the algorithm.)

따라서, 정확한 역행렬 연산의 높은 복잡도를 줄이기 위하여 추정 역행렬을 구하지고 않고, 선형식의 역행렬이 곱해진 벡터를 근사화하는 IM(iterative method) 기법을 사용한다. Therefore, in order to reduce the high complexity of the accurate inverse matrix operation, an iterative method (IM) technique that approximates a vector multiplied by a linear inverse matrix is used without obtaining an estimated inverse matrix.

Figure 112021050822936-pat00022
Figure 112021050822936-pat00022

수학식 3은, 어느 반복에서도 복잡도가

Figure 112021050822936-pat00023
를 유지하는 IM(iterative method)의 기법에서 공통적으로 표현되는 수식이다. x
Figure 112021050822936-pat00024
의 선형 방정식을 해결하기 위해 심볼(Symbol) 벡터(x)를 반복적인 알고리즘을 통해 근사하는 것이며, sn는 송신 신호 벡터이며, n는 반복횟수를 나타내고, M은 비 특이 행렬이다. 이때, 상기 추정행렬
Figure 112021050822936-pat00025
는 M 과 N으로 나타내질 수 있으며, M과 N은 분해 행렬이라하며, 분해 행렬을 설정하는 방법에 따라 IM(iterative method)기법이 달라진다.Equation 3 shows that the complexity of any iteration is
Figure 112021050822936-pat00023
It is a formula commonly expressed in the IM (iterative method) technique that maintains . x is
Figure 112021050822936-pat00024
In intended to cool through an iterative algorithm a symbol (Symbol) vectors (x) In order to solve the linear equations, n s is the transmitted signal vector, n denotes the number of iterations, M is a non-specific matrix. In this case, the estimation matrix
Figure 112021050822936-pat00025
can be expressed as M and N, where M and N are called decomposition matrices, and the iterative method (IM) technique is different depending on how the decomposition matrix is set.

상기 수학식 3을 sn에 관하여 표현하면 아래 수학식 4과 같이 표현된다.When Equation 3 is expressed with respect to s n , it is expressed as Equation 4 below.

Figure 112021050822936-pat00026
Figure 112021050822936-pat00026

여기서,

Figure 112021050822936-pat00027
은 반복적으로 곱해지는 반복 행렬로 정의한다. IM 기법들은
Figure 112021050822936-pat00028
(K는 사용자 수)로 수렴하기 위해
Figure 112021050822936-pat00029
의 조건을 만족해야 하며,
Figure 112021050822936-pat00030
는 행렬의 스펙트럼 반지름(spectral radius)를 나타낸다. 실수 또는 복소수로 이루어진 행렬은 고유 값을 가지는데, 스펙트럼 반지름(spectral radius)란, 행렬의 고유 값의 최대값을 의미한다. 이때, 반복 행렬 B
Figure 112021050822936-pat00031
(I는 단위행렬)로 표현할 수 있다. here,
Figure 112021050822936-pat00027
is defined as an iterative matrix that is iteratively multiplied. IM techniques are
Figure 112021050822936-pat00028
(K is the number of users) to converge to
Figure 112021050822936-pat00029
must satisfy the conditions of
Figure 112021050822936-pat00030
denotes the spectral radius of the matrix. A matrix made of real or complex numbers has eigenvalues, and the spectral radius means the maximum value of the eigenvalues of the matrix. In this case, the iteration matrix B is
Figure 112021050822936-pat00031
( I is the identity matrix).

JC 기법이란, 강한 대각지배행렬으로 이루어진 연립 일차 방정식에서 반복법의 수렴성을 보증하는 연립 일차 방정식 풀이이다. JC 기법에서는 특정 행렬을 대각 행렬과 대각 행렬 이외의 행렬로 분해하여 표현한다. 상기 기재한 바와 같이 분해 행렬 M과N 설정 값에 따라서 IM 기법이 달라진다. JC 기법의 분해 행렬은 (MJC)와 (NJC)로, 수학식 5와 같이 나타내지며, JC 기법에서는 송신 신호 벡터를 구하기 위해서 수학식 6과 같이 표현되며, 하기 수학식 6을 반복 수행하여 구한다.The JC technique is a system of linear equation solving that guarantees the convergence of the iterative method in a system of linear equations composed of a strong diagonal dominant matrix. In the JC technique, a specific matrix is expressed by decomposing it into a diagonal matrix and a matrix other than the diagonal matrix. As described above, the IM technique varies according to the set values of the decomposition matrices M and N. The decomposition matrices of the JC technique are (M JC ) and (N JC ), and are expressed as Equation 5. In the JC technique, in order to obtain a transmission signal vector, the decomposition matrix is expressed as Equation 6, and the following Equation 6 is repeatedly performed. save

Figure 112021050822936-pat00032
Figure 112021050822936-pat00032

Figure 112021050822936-pat00033
Figure 112021050822936-pat00033

Figure 112021050822936-pat00034
Figure 112021050822936-pat00034

Figure 112021050822936-pat00035
Figure 112021050822936-pat00035

또한, 수학식 5에서 나타내는 D는 W의 대각 행렬(diagonal)이며, L은 W의 엄격한 하삼각(strictly lower triangular), U는 W의 엄격한 상삼각(strictly upper triangular) 행렬을 나타낸다.In addition, D represented in Equation 5 is a diagonal matrix of W, L is a strictly lower triangular of W, and U is a strictly upper triangular matrix of W.

Figure 112021050822936-pat00036
Figure 112021050822936-pat00036

수학식 6은 종래의 JC 기법이며, sn는 n번째 반복 수행했을 때에 송신 신호 벡터이고,sn-1는 n-1번째 반복 수행했을 때에 송신 신호 벡터이고,x는 송신 심볼이다.Equation 6 is a conventional JC technique, where s n is a transmission signal vector when the n-th repetition is performed, s n-1 is a transmission signal vector when the n-1 repetition is performed, and x is a transmission symbol.

종래의 JC 기법은 복잡도가 낮고, 병렬적 처리가 가능하지만, 사용자수가 증가함에 따라, 통신이 열화되어 알고리즘 성능이 저하된다.The conventional JC technique has low complexity and parallel processing is possible, but as the number of users increases, communication deteriorates and algorithm performance deteriorates.

2. 본원 발명2. Invention of the present invention

이에 본 발명에서는 사용자수가 증가함에 따라 급격한 성능 저하를 완화하고자, 수렴 조건을 만족하고, 근사화 기법의 수렴속도를 높이는 새로운 형태의 JC 기법을 제안한다. [도 2]는 본원 발명의 순서도를 나타낸 것이다. [도 2]에 나타난 바와 같이 제안하는 JC 기법은 크게 PE(Polynomial Expansion) 기법을 통해서 프리코딩 행렬을 구하고(220),프리코딩 행렬을 JC 기법에 적용(230)를 적용하는 단계로 구성된다.Accordingly, the present invention proposes a new type of JC technique that satisfies the convergence condition and increases the convergence speed of the approximation technique in order to alleviate the rapid performance degradation as the number of users increases. [Figure 2] shows a flowchart of the present invention. As shown in [Fig. 2], the proposed JC technique is largely composed of steps of obtaining a precoding matrix through a polynomial expansion (PE) technique (220), and applying the precoding matrix to the JC technique (230).

2.1. 추정행렬 생성부2.1. Estimation matrix generator

추정행렬부는 각 사용자의 채널을 알고있을 때(210), 채널을 기반으로 생성하는 채널 행렬 H를 생성하며, 채널 행렬을 기반으로 추정행렬

Figure 112021050822936-pat00037
를 생성하는 단계를 수행하는 장치이다. When the channel of each user is known ( 210 ), the estimation matrix unit generates a channel matrix H generated based on the channel, and based on the channel matrix, the estimation matrix
Figure 112021050822936-pat00037
It is a device that performs the steps of generating

2.2. 분해 행렬 생성부2.2. decomposition matrix generator

분해 행렬 생성부는 상기 기재한 바와 같이 사용자 수와 상관없이 선형화되는 IM 기법을 결정하기 위하여 추정행렬 W의 분해행렬 M,N을 설정하는 분해 행렬 생성 단계를 수행하는 장치이다. As described above, the decomposition matrix generator is a device that performs the decomposition matrix generation step of setting the decomposition matrices M, N of the estimation matrix W in order to determine the linearized IM technique regardless of the number of users.

본 발명에서 프리컨디션 행렬은 유사 추정 역행렬을 구하는 방법인 PE(polynomial Expansion) 방법을 이용하여 구한다. 추정행렬 W는 상술한 종래기술의 방법을 따른다. In the present invention, the precondition matrix is obtained using a polynomial expansion (PE) method, which is a method for obtaining a similar estimated inverse matrix. The estimation matrix W follows the above-described prior art method.

PE 방식에 따라 구한 유사 역행렬을 추정 역행렬이라 하며, 아래 [수학식 7]과 같이 표현한다. The pseudo inverse matrix obtained according to the PE method is called the estimated inverse matrix, and is expressed as [Equation 7] below.

Figure 112021050822936-pat00038
Figure 112021050822936-pat00038

수학식 7의 우변이 추정 역행렬에 수렴하게 되려면, IM(iterative expectation)와 같이 M, N,

Figure 112021050822936-pat00039
을 만족하게 선택해야 한다. In order for the right side of Equation 7 to converge on the estimated inverse matrix, M, N,
Figure 112021050822936-pat00039
should be selected satisfactorily.

수학식 4에서 본 것과 같이,

Figure 112021050822936-pat00040
은 반복적으로 곱해지는 반복 행렬로 정의하면,
Figure 112021050822936-pat00041
의 조건을 만족해야 하며,
Figure 112021050822936-pat00042
는 행렬의 스펙트럼 반지름(spectral radius)를 나타낸다.As seen in Equation 4,
Figure 112021050822936-pat00040
is defined as an iterative matrix that is repeatedly multiplied,
Figure 112021050822936-pat00041
must satisfy the conditions of
Figure 112021050822936-pat00042
denotes the spectral radius of the matrix.

본 발명에서 M,N 은 수렴속도를 높이기 위해 RI(Richardson) 반복법 기반으로 선택한다. RI(Richardson) 반복법 기반의 M,N 은 아래 [수학식 8]과 같이 표현 된다.In the present invention, M and N are selected based on the RI (Richardson) iteration method to increase the convergence speed. M,N based on the RI (Richardson) iteration method is expressed as [Equation 8] below.

Figure 112021050822936-pat00043
Figure 112021050822936-pat00043

여기서,

Figure 112021050822936-pat00044
는 이완 매개 변수(relaxation parameter)로 RI(Richardson) 반복법 기반에서는
Figure 112021050822936-pat00045
로 설정한다. here,
Figure 112021050822936-pat00044
is a relaxation parameter, and based on the RI (Richardson) iteration method,
Figure 112021050822936-pat00045
set to

2.3. 프리컨디션 행렬 생성부2.3. Precondition matrix generator

프리컨디션 행렬 생성부는 송신 신호를 프리코딩하기 위한 프리컨디션 행렬을 생성하는 프리컨디션 행렬 생성 단계를 수행하는 장치이다. The precondition matrix generator is a device that performs the precondition matrix generation step of generating a precondition matrix for precoding a transmission signal.

본 발명에서는 [수학식 8]을 이용하여 프리컨디션 행렬은 아래 [수학식 9]와 같이 제안한다. 상기 [수학식 8]을 상기 [수학식 7]에 적용하여, 프리컨디션 행렬 Pc를 [수학식 9]와 같이 구할 수 있다. In the present invention, using [Equation 8], the precondition matrix is proposed as shown in [Equation 9] below. By applying [Equation 8] to [Equation 7], the precondition matrix P c can be obtained as in [Equation 9].

Figure 112021050822936-pat00046
Figure 112021050822936-pat00046

[수학식 9]에서Pc는 프리컨디션 행렬, W는 추정행렬, I는 단위행렬, D는 W의 대각행렬이다. 본 발명에서는, 계산 복잡도 O(K3)를 초과하지 않기 위해 PE를 1차항까지 전개하고, ZF보다 낮은 복잡도 내에서 W행렬의 역행렬에 더 근사하기 위해, 본 발명에서는, 대용량 MIMO 환경에서 대각 지배적인 W의 성질을 이용하여, 대각 성분만을 보완해주는 2 차항 부분을 추가 하였다.In [Equation 9], P c is a precondition matrix, W is an estimation matrix, I is an identity matrix, and D is a diagonal matrix of W. In the present invention, in order not to exceed the computational complexity O(K 3 ), PE is expanded to the first order term, and in order to more closely approximate the inverse of the W matrix within a complexity lower than ZF, in the present invention, in the present invention, diagonal dominant in a large MIMO environment. Using the property of W, a quadratic part that complements only the diagonal component was added.

2.4. 추정행렬 변형부2.4. Estimation matrix transformation part

추정행렬 변형부는 본 발명에서 계산 복잡도를 낮추기 위하여 기존의 추정행렬 W를 변형하는 추정행렬 변형 단계를 수행하는 장치이다. In the present invention, the estimation matrix transformation unit is an apparatus for performing the estimation matrix transformation step of transforming the existing estimation matrix W in order to reduce the computational complexity.

[수학식 9]와 같이 프리컨디션 행렬을 계산 된 후, 선형 방정식의 조건수(condition number)를 줄여 JC 알고리즘의 수렴속도를 높이기 위해, 선형 식

Figure 112021050822936-pat00047
의 양변에 프리컨디션 행렬을 곱한다. 곱해진 선형 방정식은 아래 [수학식 10] 과 같이 표현 된다.After calculating the precondition matrix as in [Equation 9], to increase the convergence speed of the JC algorithm by reducing the condition number of the linear equation, the linear equation
Figure 112021050822936-pat00047
Multiply both sides by the precondition matrix. The multiplied linear equation is expressed as [Equation 10] below.

Figure 112021050822936-pat00048
Figure 112021050822936-pat00048

[수학식 10]은 행렬-행렬 곱셈을 계산하기 때문에, 계산 복잡도는 O(K3)이 되어버린다. 따라서 본 발명에서는 계산 복잡도를 줄이기 위해 식을 변형한다. 우선, JC 방법을 적용하기 위해, [수학식 10]을 아래 [수학식 11]과 같이 변형 해준다. Since [Equation 10] calculates matrix-matrix multiplication, the computational complexity becomes O(K 3 ). Therefore, in the present invention, the expression is modified to reduce the computational complexity. First, in order to apply the JC method, [Equation 10] is transformed as shown in [Equation 11] below.

Figure 112021050822936-pat00049
Figure 112021050822936-pat00049

여기서,

Figure 112021050822936-pat00050
는 변형된 추정행렬이라 하며,
Figure 112021050822936-pat00051
,
Figure 112021050822936-pat00052
Figure 112021050822936-pat00053
를 의미한다. [수학식 11]에 JC를 적용하기 위해 변형된 추정행렬
Figure 112021050822936-pat00054
를 아래 [수학식 12]와 같이 분해한다.here,
Figure 112021050822936-pat00050
is called the transformed estimation matrix,
Figure 112021050822936-pat00051
,
Figure 112021050822936-pat00052
Is
Figure 112021050822936-pat00053
means Estimation matrix transformed to apply JC to [Equation 11]
Figure 112021050822936-pat00054
is decomposed as in [Equation 12] below.

Figure 112021050822936-pat00055
Figure 112021050822936-pat00055

여기서,

Figure 112021050822936-pat00056
Figure 112021050822936-pat00057
의 대각 행렬(diagonal matrix),
Figure 112021050822936-pat00058
Figure 112021050822936-pat00059
의 엄격한 하삼각 행렬(strict lower matrix),
Figure 112021050822936-pat00060
Figure 112021050822936-pat00061
의 엄격한 상삼각 행렬(strict uppper matrix)이다. 즉, 추정행렬 W에 본원 발명에서의 프리컨디션 행렬을 곱한
Figure 112021050822936-pat00062
이며, [수학식 12]이다.here,
Figure 112021050822936-pat00056
Is
Figure 112021050822936-pat00057
The diagonal matrix of
Figure 112021050822936-pat00058
Is
Figure 112021050822936-pat00059
Strict lower triangular matrix of
Figure 112021050822936-pat00060
Is
Figure 112021050822936-pat00061
is a strict upper triangular matrix of . That is, the estimation matrix W is multiplied by the precondition matrix in the present invention.
Figure 112021050822936-pat00062
and [Equation 12].

2.5. 변형 추정행렬 JC 기법 적용부2.5. Deformation estimation matrix JC method application part

변형 추정행렬 JC 기법 적용부는 상기 추정행렬 변형부에서 생성한 변형된 추정행렬을 JC기법에 적용하는 변형 추정행렬 JC 기법 적용 단계를 수행하는 장치이다. The transformed estimation matrix JC technique applying unit is a device for performing the transforming estimation matrix JC technique application step of applying the transformed estimation matrix generated by the estimation matrix transforming unit to the JC technique.

상기 변형된 추정행렬

Figure 112021050822936-pat00063
와 변형된
Figure 112021050822936-pat00064
를 JC 기법에 적용하여, 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다. The modified estimation matrix
Figure 112021050822936-pat00063
and transformed
Figure 112021050822936-pat00064
By applying to the JC technique, it can be expressed as Equation 13 below.

Figure 112021050822936-pat00065
Figure 112021050822936-pat00065

[수학식 13]과 같이 JC 기법의 식을 풀게 되면

Figure 112021050822936-pat00066
의 모든 성분을 구해야만 하기 때문에 계산 복잡도는 O(K3)을 요구하게 된다. 본 발명에서는 이러한 복잡도를 줄이기 위해,
Figure 112021050822936-pat00067
의 필요한 성분들만 구하는 방법으로 [수학식 13]을 아래 [수학식 14]처럼 변형 한다.If we solve the expression of the JC method as in [Equation 13],
Figure 112021050822936-pat00066
Since we have to find all components of , the computational complexity requires O(K 3 ). In the present invention, in order to reduce this complexity,
Figure 112021050822936-pat00067
[Equation 13] is transformed as shown in [Equation 14] below in a way to obtain only the necessary components of .

Figure 112021050822936-pat00068
Figure 112021050822936-pat00068

위와 같이 [수학식 14]로 식이 변형 되면

Figure 112021050822936-pat00069
의 성분 중 엄격한 하삼각 행렬(
Figure 112021050822936-pat00070
) 성분 엄격한 상 삼각 행렬(
Figure 112021050822936-pat00071
) 성분 는 구할 필요 없이,
Figure 112021050822936-pat00072
의 대각 행렬 성분
Figure 112021050822936-pat00073
만을 구하면 되기 때문에, 계산 복잡도는 O(K3)에서 O(K2)으로 감소된다. 초기값
Figure 112021050822936-pat00074
은 아래 [수학식 15]와 같이 표현한다.If the expression is transformed into [Equation 14] as above,
Figure 112021050822936-pat00069
Strict lower triangular matrix (
Figure 112021050822936-pat00070
) component strict phase triangular matrix (
Figure 112021050822936-pat00071
), there is no need to obtain
Figure 112021050822936-pat00072
diagonal matrix component of
Figure 112021050822936-pat00073
, the computational complexity is reduced from O(K 3 ) to O(K 2 ). initial value
Figure 112021050822936-pat00074
is expressed as [Equation 15] below.

Figure 112021050822936-pat00075
Figure 112021050822936-pat00075

위와 같은 방법은 프리컨디션 기법을 JC에 적용하여 수렴 속도를 높이는 것으로 비슷한 복잡도 내에서도 병렬처리를 지원하는 기존의 IM(Iterative method)기법보다 BER(bit error rate) 성능이 높으며 사용자수가 많은 환경에서 추정을 못하는 JC의 단점을 극복 한다.The above method applies the preconditioning method to JC to increase the convergence speed. It has higher BER (bit error rate) performance than the existing IM (Iterative method) method that supports parallel processing even within a similar complexity, and it can be estimated in an environment with a large number of users. Overcome the shortcomings of JC that cannot.

본 발명에서 제시한 JC의 계산 복잡도는 [수학식 14]를 통해 분석 할 수 있다.The computational complexity of JC presented in the present invention can be analyzed through [Equation 14].

복잡도를 계산하는데 있어 곱셈 연산의 수만 고려하며, 기존의 JC 기법에서 프리컨디션 행렬(P )를 구하는 부분,

Figure 112021050822936-pat00076
의 대각성분
Figure 112021050822936-pat00077
를 구하는 부분, Pc를 포함하여 JC알고리즘을 진행하는 부분들이 추가된다.In calculating the complexity, only the number of multiplication operations is considered, and the part that obtains the precondition matrix (P ) in the existing JC method,
Figure 112021050822936-pat00076
diagonal component of
Figure 112021050822936-pat00077
The parts that proceed with the JC algorithm are added, including the part to find P c .

낮은 계산 복잡도를 위해, 프리컨디션 행렬(P )를 [수학식 9]를 아래 [수학식 16]처럼 변경하여 구한다.For low computational complexity, the precondition matrix (P ) is obtained by changing [Equation 9] as shown in [Equation 16] below.

Figure 112021050822936-pat00078
Figure 112021050822936-pat00078

프리컨디션 행렬(P)를 구하는 복잡도는

Figure 112021050822936-pat00079
가 요구된다.
Figure 112021050822936-pat00080
를 구하는 복잡도는 행렬- 행렬 곱의 대각성분만 구하면 됨으로 K2가 요구된다. 초기값
Figure 112021050822936-pat00081
은 처음 프리컨디션 행렬(P) 와 송신 벡터
Figure 112021050822936-pat00082
를 곱한 후,
Figure 112021050822936-pat00083
Figure 112021050822936-pat00084
를 곱하여
Figure 112021050822936-pat00085
의 계산 복잡도가 요구된다. [수학식 14]의 한번 마다 필요한 계산 복잡도는 차례로 W,P,
Figure 112021050822936-pat00086
가 차례로 계산되는 벡터와 곱해짐으로 계산 복잡도 2K2+K가 요구된다. 마지막으로 구해진 s(n)을 ZF 프리코딩 절차인 H H s (n) 를 곱해주는 계산 복잡도는 NtK가 요구된다. The complexity of finding the precondition matrix (P) is
Figure 112021050822936-pat00079
is required
Figure 112021050822936-pat00080
K 2 is required because only the diagonal component of the matrix-matrix product needs to be calculated for the complexity. initial value
Figure 112021050822936-pat00081
is the initial precondition matrix (P) and the transmit vector
Figure 112021050822936-pat00082
After multiplying by
Figure 112021050822936-pat00083
Wow
Figure 112021050822936-pat00084
multiply by
Figure 112021050822936-pat00085
of computational complexity is required. The computational complexity required for each one of [Equation 14] is W, P,
Figure 112021050822936-pat00086
is multiplied by a vector that is computed in turn, requiring a computational complexity of 2K 2 +K. The computational complexity of multiplying the finally obtained s (n) by the ZF precoding procedure, H H s (n) , requires N t K.

따라서 본 발명에서 제시된 JC 기법의 n번의 반복에는 (2n+3)K 2 +(n+4)K+N t K의 계산 복잡도를 요구한다. Therefore, n iterations of the JC technique presented in the present invention require a computational complexity of (2n+3)K 2 +(n+4)K+N t K .

[도 3]은 기존의 IM기법들과 본 발명에서 제시한 JC 기법에서 프리코딩 된 송신 벡터를 계산하기 위해 요구되는 곱셈 연산량을 나타낸 도면이다.[Fig. 3] is a diagram showing the amount of multiplication operation required to calculate a precoded transmit vector in the conventional IM techniques and the JC technique proposed in the present invention.

[도 4] PE를 이용하여 1차항까지 구한 프리컨디션 행렬과 2차항에 대각성분을 추가하여 보완한 프리컨디션 행렬과 각각 그램 행렬(W)에 곱한 행렬의 조건수를 사용자수에 따라 나타낸 것이다. 기지국 안테나 수(Nt)는 100으로 고정하였다. 각각의 행렬은 아래 [수학식 17]과 같이 표현된다.[FIG. 4] The precondition matrix obtained up to the first term using PE, the precondition matrix supplemented by adding a diagonal component to the second term, and the number of conditions of the matrix multiplied by the gram matrix (W), respectively, are shown according to the number of users. The number of base station antennas (N t ) is fixed to 100. Each matrix is expressed as [Equation 17] below.

Figure 112021050822936-pat00087
Figure 112021050822936-pat00087

각각의 조건수를 구하는 방법은 아래 [수학식 18]과 같이 표현 한다.The method of obtaining each condition number is expressed as [Equation 18] below.

Figure 112021050822936-pat00088
Figure 112021050822936-pat00088

PE(Polynomial Expansion)를 이용하여 2차항 에 대각성분을 추가하여 보완한 프리컨디션 행렬과 그램 행렬을 곱한 조건수가 더 작다는 것을 [도 4]에서 확인할 수 있다.It can be seen from [Fig. 4] that the number of conditions obtained by multiplying the gram matrix and the precondition matrix supplemented by adding a diagonal component to the quadratic term using PE (Polynomial Expansion) is smaller.

[도 5] IM에서 곱해지는 반복행렬(B)의 스펙트럼 반지름을 사용자수에 따라 나타낸 것이다. [도 5]에서 본원 발명에서 제안한 JC기법이 사용자 수가 증가하여도, 스펙트럼 반지름이 크게 증가하지 않음을 확인 할 수 있다. [도 5]에서는 기지국 안테나 수(Nt )는 100으로 고정하였다. 각 IM의 반복행렬은 아래 수학식 [수학식 19]와 같이 표현 한다. 하기 [수학식 19]에서 BJC는 종래의 JC 기법의 반복행렬, BRI는 RI(Richardson) 반복법의 반복행렬, BDJ는 댐프드 JC 기법의 반복행렬,BPJC는 본 발명에서 제안한 JC 기법의 반복 행렬이다.[Fig. 5] The spectrum radius of the repetition matrix (B) multiplied by the IM is shown according to the number of users. In [Fig. 5], it can be seen that the spectral radius does not significantly increase even when the number of users of the JC technique proposed in the present invention increases. In [FIG. 5], the number of base station antennas (N t ) is fixed to 100. The repetition matrix of each IM is expressed as the following Equation [Equation 19]. In the following [Equation 19], B JC is the iteration matrix of the conventional JC technique, B RI is the iteration matrix of the RI (Richardson) iteration method, B DJ is the iteration matrix of the damped JC technique, and B PJC is the JC technique proposed in the present invention. is a repeating matrix of

Figure 112021050822936-pat00089
Figure 112021050822936-pat00089

본 발명에서 제시한 프리컨디션 Jacboi와 비슷한 복잡도에서 비교하기 위해 [수학식 19]에서 JC(Jacobi) 와 RI(Richardson) 반복법, 댐프드 Jacobi(DJC)의 반복행렬을 제곱해주었다. 각 반복행렬의 스펙트럼 반경(spectrum radius)은 각 반복행렬의 프로베니언스 놈(Frobenius norm)으로 구하였다.In [Equation 19], the iteration matrix of JC (Jacobi) and RI (Richardson) iteration methods and damped Jacobi (DJC) iteration matrices were squared in order to compare at a similar complexity to the preconditioned Jacobi presented in the present invention. The spectral radius of each repetition matrix was obtained using the Frobenius norm of each repetition matrix.

<실시예><Example>

도 6와 도 7은 각각 본 발명의 기법과 종래 기법를 사용자 수에 따른 성능을 비교한 도면이다.도 6,7은 사용자(130)가 확인한 신호 오류율이다. 6 and 7 are diagrams comparing the performance of the technique of the present invention and the conventional technique according to the number of users, respectively. FIGS. 6 and 7 are signal error rates confirmed by the user 130 .

도 6 및 7은 BER 플롯으로 x축은 SNR,y축은 BER이다. BER은 전송전력의 크기에 따라서 에러가 발생하는 확률을 나타내는 것이며, ZF 기법의 그래프가 가장 아래에 위치함으로 오류율이 가장 낮으며, 본원 발명에서 제안한 JC기법이 그다음으로 오류율이 낮은 것을 확인할 수 있다.6 and 7 are BER plots. The x-axis is SNR and the y-axis is BER. BER indicates the probability that an error occurs according to the size of transmission power, and the ZF technique has the lowest error rate because the graph of the ZF technique is located at the bottom, and it can be confirmed that the JC technique proposed in the present invention has the next lowest error rate.

종래 기법은 기존의 JC 기법을 이용한 ZF 프리코딩 기법과 정확한 역행렬을 요구하는 ZF 기법 과 각각 RI 반복법과 댐프드 JC 기법이다. 기지국 안테나 수(NT )는 100으로 고정하였다. 모든 성능 비교에는 ZF 기법의 성능이 지표로 제시된다.The conventional techniques are the ZF precoding technique using the existing JC technique, the ZF technique requiring an accurate inverse matrix, and the RI iteration technique and the damped JC technique, respectively. The number of base station antennas (N T ) is fixed to 100. In all performance comparisons, the performance of the ZF technique is presented as an indicator.

[도 6a]에서는 사용자 수(K)가 30일때,[도 6b]는 사용자 수(K) 40 그리고 [도 6c]는 50일 때의 반복횟수(n) 변조차수 QPSK에서 JC(Jacobi) 기법, RI(Richardson) 반복법 ,제안한 JC기법(도 6에서는 PJC로 표기된다.) 간의 성능을 보여준다. JC는 성능을 내지 못하는 것을 볼수 있으며, 본 발명에서 제시된 JC(Jacobi) 기법이 사용자 수(K)가 많아 질수록 RI와의 성능 차이가 커지는 것을 볼 수 있다. 또한 RI의 반복횟수가 증가해도 SNR이 높은 환경에서 사용자 수(K)가 많아 질수록 성능 개선이 작아지는 것을 볼 수있다. In [Fig. 6a], when the number of users (K) is 30, [Fig. 6b] is the number of users (K) of 40, and [Fig. 6c] is the number of repetitions (n) when the number of users is 50. JC (Jacobi) technique in modulation order QPSK, It shows the performance between the RI (Richardson) iteration method and the proposed JC method (indicated as PJC in Fig. 6). It can be seen that JC does not perform well, and as the number of users (K) of the JC (Jacobi) technique presented in the present invention increases, the performance difference with RI increases. Also, it can be seen that even if the number of repetitions of RI increases, the performance improvement decreases as the number of users (K) increases in an environment with high SNR.

[도 7a]에서는 사용자 수(K)가 30, [도 7b]는 사용자 수(K)가 40 그리고 [도 7b]는 사용자 수(K)가 50일 때의 반복횟수(n) 변조차수 16QAM에서 JC(Jacobi) 기법, 댐프드 JC(DJ) ,제안한 JC기법(도7에서는 PJC로 표기된다.) 간의 성능을 보여준다. JC는 성능을 내지 못하는 것을 볼수 있으며, 본 발명에서 제시된 기법이 사용자 수(K)가 많아 질수록 댐프드 JC(DJ)와의 성능 차이가 커지는 것을 볼 수 있다. 또한 댐프드 JC(DJ)의 반복횟수가 증가해도 SNR이 높은 환경에서 사용자 수(K)가 많아 질수록 성능 개선이 작아지는 것을 볼 수있다. 시뮬레이션 결과를 통해 프리컨디션 기법이 수렴속도에 미치는 영향이 매우 크다는 사실을 알 수 있다. 본 발명에서 제시된 방법은 요구하는 성능에 필요한 기존의 IM 기법들 보다 같은 복잡도에서 더 높은 오류 성능을 얻을 수 있다. 또한, 기존의 IM 기법들 보다 반복하는 횟수가 증가함에 따라 정확한 역행렬을 요구하는 ZF 프리코딩 기법의 BER 성능에 더 빠르게 수렴하는 것을 알 수 있다.In [Fig. 7a], the number of repetitions (n) when the number of users (K) is 30, [Fig. 7b] is the number of users (K) is 40, and [Fig. 7b] is the number of users (K) of 50, modulation order 16QAM It shows the performance between JC (Jacobi) technique, damped JC (DJ), and the proposed JC technique (indicated as PJC in Fig. 7). It can be seen that the JC does not perform well, and it can be seen that the performance difference with the damped JC (DJ) increases as the number of users (K) of the technique presented in the present invention increases. In addition, even if the number of repetitions of the damped JC (DJ) increases, it can be seen that the performance improvement decreases as the number of users (K) increases in an environment with high SNR. The simulation results show that the preconditioning technique has a very large effect on the convergence speed. The method presented in the present invention can obtain higher error performance at the same complexity than the existing IM techniques required for the required performance. In addition, it can be seen that the BER performance of the ZF precoding technique, which requires an accurate inverse matrix, converges faster than that of the existing IM techniques, as the number of iterations increases.

한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.On the other hand, although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above embodiment, it should be noted that the above embodiment is for the description and not the limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical spirit of the present invention.

110 데이터 스트림
120 디지털 프리코더를 포함한 기지국
130 사용자
210 채널 수집 단계
220 프리컨디션 행렬 생성 단계
230 변형된 JC 기법을 생성하는 단계
240 프리코딩을 수행하는 단계
110 data stream
Base station with 120 digital precoder
130 users
210 Channel Acquisition Steps
220 Precondition Matrix Generation Steps
230 Steps to create a modified JC scheme
240 Steps to perform precoding

Claims (10)

대용량 하향링크 MIMO 시스템의 기지국의 디지털 프리코더에 있어서,
추정행렬 W를 채널행렬 기반으로 생성하는 추정행렬 생성부;
상기 추정행렬 W를 M,N 분해 행렬로 분해하고 분해 행렬을 설정하는 분해 행렬 생성부;
상기 분해 행렬 생성부를 통해서 구한 분해 행렬을 적용한 프리컨디션 행렬 Pc을 생성하는 프리컨디션 행렬 생성부;
상기 추정행렬 W에 프리컨디션 Pc를 곱하여 추정행렬 W를 변형함으로써, 변형된 추정행렬
Figure 112021050822936-pat00090
생성하는 추정행렬 변형부;
상기 추정행렬 변형부를 통해서 변형된 추정행렬
Figure 112021050822936-pat00091
을 변형 야코비 기법(JC 기법)에 적용하여 송신신호를 프리코딩하여 프리코딩된 신호를 생성하는 변형 JC기법 적용부;를 포함하여 구성되고,
상기 변형 JC 기법 적용부에서 적용하는 변형 야코비 기법은,
프리코딩된 송신신호의 계산복잡도가 사용자 수 K의 제곱의 함수가 되도록 변형된 JC 기법인 것을 특징으로 하며,
상기 분해 행렬 생성부는,
RI(Richardson) 반복법을 기반으로 하는 하기 수식 1에 따라서 분해 행렬 M,N을 설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 프리코더.
(수식 1)
Figure 112021050822936-pat00092

(
Figure 112021050822936-pat00093
, Nt는 기지국 안테나 수, K는 사용자 수,W는 추정행렬로
Figure 112021050822936-pat00094
이고
Figure 112021050822936-pat00095
는 에르미트(Hermitian) 변환, M,N은 비특이행렬)
In a digital precoder of a base station of a large-capacity downlink MIMO system,
an estimation matrix generator for generating an estimation matrix W based on a channel matrix;
a decomposition matrix generator that decomposes the estimation matrix W into an M,N decomposition matrix and sets a decomposition matrix;
a precondition matrix generator for generating a precondition matrix P c to which the decomposition matrix obtained through the decomposition matrix generator is applied;
By transforming the estimation matrix W by multiplying the estimation matrix W by the precondition P c , the transformed estimation matrix
Figure 112021050822936-pat00090
an estimation matrix transformation unit to generate;
Estimation matrix transformed through the estimation matrix transformation unit
Figure 112021050822936-pat00091
is applied to the modified Jacobian technique (JC technique) to pre-code the transmission signal to generate a precoded signal;
The modified Jacobian technique applied in the modified JC technique application unit is,
It is characterized in that it is a JC technique modified so that the calculation complexity of the precoded transmission signal becomes a function of the square of the number of users K,
The decomposition matrix generator,
A digital precoder, characterized in that the decomposition matrix M, N is set according to Equation 1 below based on the RI (Richardson) iteration method.
(Formula 1)
Figure 112021050822936-pat00092

(
Figure 112021050822936-pat00093
, N t is the number of base station antennas, K is the number of users, and W is the estimation matrix.
Figure 112021050822936-pat00094
ego
Figure 112021050822936-pat00095
is the Hermitian transform, M, N are nonsingular matrices)
제 1항에 있어서,
상기 프리컨디션 행렬 생성부는,
상기 프리컨디션 행렬 Pc는 PE(polynomial expansion)를 1차항까지만 전개하고, 대각 성분만 2차항까지 전개하도록 하며, 상기 분해 행렬 M,N을 하기 수식 2에 적용하는 것을 특징으로 하는 디지털 프리코더.
(수식 2)
Figure 112021050822936-pat00096

(W는 추정 역행렬, W-1는 추정행렬의 유사 역행렬로, 추정 역행렬이라 한다. M,N은 분해 행렬,i는 반복차수)
The method of claim 1,
The precondition matrix generator,
The precondition matrix P c expands polynomial expansion (PE) up to the first term, expands only the diagonal component up to the second term, and applies the decomposition matrix M,N to Equation 2 below.
(Equation 2)
Figure 112021050822936-pat00096

(W is the estimated inverse matrix, W -1 is the pseudo-inverse of the estimation matrix, called the estimated inverse matrix. M,N are the decomposition matrix, and i is the iteration order)
제 2항에 있어서,
상기 프리컨디션 행렬 생성부는,
하기 수식 3과 같은 프리컨디션 행렬을 생성하는 것을 특징으로 디지털 프리코더.
(수식 3)
Figure 112021050822936-pat00097

(Pc는 프리컨디션 행렬, I는 단위행렬,
Figure 112021050822936-pat00098
,Nt는 기지국 안테나 수, K는 사용자 수,D는 추정 행렬 W의 엄격한 대각행렬 )
3. The method of claim 2,
The precondition matrix generator,
Digital precoder, characterized in that for generating a precondition matrix as shown in Equation 3 below.
(Equation 3)
Figure 112021050822936-pat00097

(P c is the precondition matrix, I is the identity matrix,
Figure 112021050822936-pat00098
,N t is the number of base station antennas, K is the number of users, D is the strict diagonal matrix of the estimation matrix W)
제 3항에 있어서,
상기 수식 3과 같은 프리컨디션 행렬을 하기 수식4과 같이 변형하는 것을 특징으로 디지털 프리코더.
(수식 4)
Figure 112021050822936-pat00099

(Pc는 프리컨디션 행렬, I는 단위행렬,
Figure 112021050822936-pat00100
,Nt는 기지국 안테나 수, K는 사용자 수,W는 추정행렬, D는 추정행렬 W의 엄격한 대각행렬 )
4. The method of claim 3,
A digital precoder, characterized in that the precondition matrix as shown in Equation 3 is transformed as shown in Equation 4 below.
(Equation 4)
Figure 112021050822936-pat00099

(P c is the precondition matrix, I is the identity matrix,
Figure 112021050822936-pat00100
,N t is the number of base station antennas, K is the number of users, W is the estimation matrix, D is the strict diagonal matrix of the estimation matrix W)
제 1항에 있어서,
상기 프리코딩된 신호의 송신신호 벡터는 상기 변형 야코비 기법을 적용하여 하기 수식 5에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 디지털 프리코더.
(수식 5)
Figure 112021050822936-pat00101

(
Figure 112021050822936-pat00102
는 n+1차 반복한 송신 신호 벡터,
Figure 112021050822936-pat00103
는 n차 반복한 송신 신호 벡터,
Figure 112021050822936-pat00104
는 변형된 추정 역행렬
Figure 112021050822936-pat00105
의 엄격한 대각행렬
Figure 112021050822936-pat00106
의 역행렬,W 추정행렬, Pc는 프리컨디션 행렬,x는 심볼벡터 x(IM 기법에서 수렴하는 선형 방정식 x=Ws))
The method of claim 1,
The digital precoder, characterized in that the transmission signal vector of the precoded signal is determined by Equation 5 below by applying the modified Jacobian technique.
(Equation 5)
Figure 112021050822936-pat00101

(
Figure 112021050822936-pat00102
is the n+1-th repeated transmission signal vector,
Figure 112021050822936-pat00103
is the n-th repeated transmission signal vector,
Figure 112021050822936-pat00104
is the transformed estimated inverse matrix
Figure 112021050822936-pat00105
strict diagonal of
Figure 112021050822936-pat00106
Inverse matrix of, W estimation matrix, P c is the precondition matrix, x is the symbol vector x (linear equation x=Ws converging in the IM technique))
대용량 하향링크 MIMO 시스템의 기지국에서 송신신호를 디지털 프리코딩 하는 방법에 있어서,
추정행렬 W를 채널행렬 기반으로 생성하는 추정행렬 생성 단계;
상기 추정행렬 W를 M,N 분해 행렬로 분해하고 분해 행렬을 설정하는 분해 행렬 생성 단계;
상기 분해 행렬 단계를 통해서 구한 분해 행렬을 적용한 프리컨디션 행렬 Pc을 생성하는 프리컨디션 행렬 생성 단계;
상기 추정행렬 W에 프리컨디션 Pc를 곱하여 추정행렬 W를 변형함으로써, 변형된 추정행렬
Figure 112021080798278-pat00107
생성하는 추정행렬 변형 단계;
상기 추정행렬 변형 단계를 통해서 변형된 추정행렬
Figure 112021080798278-pat00108
을 변형 야코비 기법(JC 기법)에 적용하여 송신신호를 프리코딩하여 프리코딩된 신호를 생성하는 변형 JC기법 적용 단계;
상기 변형 JC 기법 적용 단계에서 적용하는 변형 야코비 기법은,
프리코딩된 송신신호의 계산복잡도가 사용자 수 K의 제곱의 함수가 되도록 변형된 JC 기법인 것을 특징으로 하며,
상기 분해 행렬 생성 단계는,
RI(Richardson) 반복법을 기반으로 하는 하기 수식 1에 따라서 분해 행렬 M,N을 설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 프리코딩 행렬 획득 방법.
(수식 1)
Figure 112021080798278-pat00109

(
Figure 112021080798278-pat00110
, Nt는 기지국 안테나 수, K는 사용자 수,W는 추정행렬로
Figure 112021080798278-pat00111
이고
Figure 112021080798278-pat00112
는 에르미트(Hermitian) 변환, M,N은 비특이행렬)
A method for digitally precoding a transmission signal in a base station of a large-capacity downlink MIMO system, the method comprising:
an estimation matrix generation step of generating an estimation matrix W based on a channel matrix;
a decomposition matrix generation step of decomposing the estimation matrix W into an M,N decomposition matrix and setting a decomposition matrix;
a precondition matrix generation step of generating a precondition matrix P c to which the decomposition matrix obtained through the decomposition matrix step is applied;
By transforming the estimation matrix W by multiplying the estimation matrix W by the precondition P c , the transformed estimation matrix
Figure 112021080798278-pat00107
generating an estimation matrix transformation step;
Estimation matrix transformed through the step of transforming the estimation matrix
Figure 112021080798278-pat00108
A modified JC method applying step of precoding a transmission signal by applying the modified Jacobian method (JC method) to generate a precoded signal;
The modified Jacobian technique applied in the step of applying the modified JC technique is,
It is characterized in that it is a JC technique modified so that the calculation complexity of the precoded transmission signal becomes a function of the square of the number of users K,
The decomposition matrix generation step is,
A method for obtaining a digital precoding matrix, characterized in that the decomposition matrix M, N is set according to Equation 1 below based on the RI (Richardson) iteration method.
(Formula 1)
Figure 112021080798278-pat00109

(
Figure 112021080798278-pat00110
, N t is the number of base station antennas, K is the number of users, and W is the estimation matrix.
Figure 112021080798278-pat00111
ego
Figure 112021080798278-pat00112
is the Hermitian transform, M, N are nonsingular matrices)
제 6항에 있어서,
상기 프리컨디션 행렬 생성단계는,
상기 프리컨디션 행렬 Pc는 PE(polynomial expansion)를 1차항까지만 전개하고, 대각 성분만 2차항까지 전개하도록 하며, 상기 분해 행렬 M,N을 하기 수식 2에 적용하는 것을 특징으로 하는 디지털 프리코딩 행렬 획득 방법.
(수식 2)
Figure 112021050822936-pat00113

(W는 추정 역행렬, W-1는 추정행렬의 유사 역행렬로, 추정 역행렬이라 한다. M,N은 분해 행렬,i는 반복차수)
7. The method of claim 6,
The precondition matrix generation step is,
The precondition matrix P c is a digital precoding matrix, characterized in that polynomial expansion (PE) is expanded up to the first term, only the diagonal component is expanded up to the second term, and the decomposition matrix M, N is applied to the following Equation 2 How to get it.
(Equation 2)
Figure 112021050822936-pat00113

(W is the estimated inverse matrix, W -1 is the pseudo-inverse of the estimation matrix, called the estimated inverse matrix. M,N are the decomposition matrix, and i is the iteration order)
제 7항에 있어서,
상기 프리컨디션 행렬 생성 단계는,
하기 수식 3과 같은 프리컨디션 행렬을 생성하는 것을 특징으로 디지털 프리코딩 행렬 획득 방법.
(수식 3)
Figure 112021050822936-pat00114

(Pc는 프리컨디션 행렬, I는 단위행렬,W는 추정행렬 ,
Figure 112021050822936-pat00115
,Nt는 기지국 안테나 수, K는 사용자 수,D는 추정행렬 W의 엄격한 대각행렬 )
8. The method of claim 7,
The precondition matrix generation step includes:
A method of obtaining a digital precoding matrix, characterized in that it generates a precondition matrix as shown in Equation 3 below.
(Equation 3)
Figure 112021050822936-pat00114

(P c is the precondition matrix, I is the identity matrix, W is the estimation matrix,
Figure 112021050822936-pat00115
,N t is the number of base station antennas, K is the number of users, D is the strict diagonal matrix of the estimation matrix W)
제 8항에 있어서,
상기 수식 3과 같은 프리컨디션 행렬을 하기 수식4과 같이 변형하는 것을 특징으로 하는 디지털 프리코딩 행렬 획득 방법.

(수식 4)
Figure 112021050822936-pat00116

(Pc는 프리컨디션 행렬, I는 단위행렬,W는 추정행렬 ,
Figure 112021050822936-pat00117
,Nt는 기지국 안테나 수, K는 사용자 수,W는 추정행렬, D는 추정행렬 W의 엄격한 대각행렬 )
9. The method of claim 8,
A method for obtaining a digital precoding matrix, characterized in that the precondition matrix as shown in Equation 3 is transformed as shown in Equation 4 below.

(Equation 4)
Figure 112021050822936-pat00116

(P c is the precondition matrix, I is the identity matrix, W is the estimation matrix,
Figure 112021050822936-pat00117
,N t is the number of base station antennas, K is the number of users, W is the estimation matrix, D is the strict diagonal matrix of the estimation matrix W)
제 6항에 있어서,
상기 프리코딩된 신호를 하기 수식 5와 같이 변형하는 것을 특징으로 하는 디지털 프리코딩 행렬 획득 방법.
(수식 5)
Figure 112021502015583-pat00118

(
Figure 112021502015583-pat00119
는 n+1차 반복한 송신 신호 벡터,
Figure 112021502015583-pat00120
는 n차 반복한 송신 신호 벡터,
Figure 112021502015583-pat00121
는 변형된 추정 역행렬
Figure 112021502015583-pat00122
의 엄격한 대각행렬
Figure 112021502015583-pat00123
의 역행렬,W 추정행렬, Pc는 프리컨디션 행렬,x는 심볼벡터 x(IM 기법에서 수렴하는 선형 방정식 x=Ws))

7. The method of claim 6,
A method for obtaining a digital precoding matrix, characterized in that the precoded signal is transformed as shown in Equation 5 below.
(Equation 5)
Figure 112021502015583-pat00118

(
Figure 112021502015583-pat00119
is the n+1-th repeated transmission signal vector,
Figure 112021502015583-pat00120
is the n-th repeated transmission signal vector,
Figure 112021502015583-pat00121
is the transformed estimated inverse matrix
Figure 112021502015583-pat00122
strict diagonal of
Figure 112021502015583-pat00123
Inverse matrix of, W estimation matrix, P c is the precondition matrix, x is the symbol vector x (linear equation x=Ws converging in the IM technique))

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