폐쇄 루프 전송 빔 성형을 적용한 CDMA 시스템의 귀환 채널 구조에 따른 성능 연구 = (The) performance evaluation of CDMA system adopting closed-loop transmit beamforming for different feedback channel structures

국문 초록 (Abstract)

기지국의 적응형 배열 안테나를 이용한 전송 빔 성형은 순방향 링크의 동일채널 간섭과 심벌간 간섭을 줄여 시스템의 용량을 증가시킨다. 빔 성형을 위해 귀환 채널을 이용하는 폐쇄 루프 전송 빔 성형에서는 순방향 채널 정보를 기지국으로 오류 없이 정확하게 전달하는 것이 시스템의 성능향상을 위해 무엇보다 중요하다. 여러 가지 채널 환경에서 귀환 채널오류의 영향을 분석 함으로서 각각의 채널 환경에 보다 강한 귀환 채널을 설계하여 전송 빔 성형의 이득을 높일 수 있다.
본 논문에서는 먼저 전송 빔 성형 기술을 단순한 개방 루프 전송 디버시티와 비교하여 그 이득을 분석하고 수신단의 신호 대 간섭과 잡음 비(SINR)를 최대화 할 수 있는 빔 성형 알고리듬을 제시한다. 제시된 빔 성형 알고리듬을 이용하여 폐쇄 루프 전송 빔 성형기법을 CDMA2000 시스템에 적용시킨다. 마지막으로 컴퓨터 모의 실험을 통해 전송 안테나가 늘어남에 따라 증가하게 되는 빔 성형 이득을 살펴보고 다양한 채널 환경에서 귀환 채널의 오류가 시스템의 성능에 끼치는 영향에 대해서도 살펴본다. 제한된 귀환 채널의전송량에서 순방향 채널정보를 보다 효과적으로 전달하기 위해, 먼저 귀환 정보의 확률밀도함수를 유도하고, 귀환 채널에 적절한 양자화기를 설계한다. 가중치 갱신 비율과 양자화 계층 수에 따른 성능의 변화와 귀환 전송 지연, 양자화 오류 같은 귀환 오류에 의한 성능 저하도 컴퓨터 모의 실험을 통해 연구된다.
결과 그래프들은 폐쇄 루프 전송 빔 성형이 이동국이 저속으로 움직일 경우 개방형 전송 디버시티에 비해 부가적인 빔 성형 이득을 얻는 것을 보여준다. 또한 채널의 최대 도플러 주파수가 커질수록 가중치 갱신 비율이 성능저하에 지대한 영향을 끼치게 되므로, 이동국의 속도가 빠를 경우에는 양자화 비트 수를 줄여 빔 성형 가중치가 보다 빨리 갱신 되도록 하고, 이동국의 속도가 느릴 경우에는 빔 성형 가중치의 갱신 속도를 줄이더라도 양자화 비트 수를 늘여 보다 정확한 채널정보가 전송되도록 해야 한다. 귀환 채널의 전송 지은 다중 경로 페이딩 채널에서 단일 경로 페이딩 채널에 비해 더 많은 성능 저하를 가져오며 안테나간 시공간 상관특성이 작을수록 귀환 채널의 전송 지연에 의한 성능저하가 커지게 된다는 것도 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

At the base station, transmit beamforming reduces interference, such as CCI (co-channel interference) and ISI (inter-symbol interference) and improves downlink capacity. In FDD (frequency division duplex) systems, it is necessary for mobile stations to report the downlink channel information back to the base station exactly, since downlink channel is not related reciprocally with uplink channel. The investigation into the effect of various feedback errors can help the robust feed back channel design, so that it can improves performance of closed-loop beamforming system.
In this thesis, we propose the algorithm that determines beamforming weight vector maximizing SINR (signal-to-interference plus noise ratio) of the mobile station and implement closed-loop transmit beamforming scheme to CDMA2000 system using this weight decision algorithm. The performance of the transmit beamforming system with multiple antennas is obtained and the effect of feedback error on system performance is investigated as well.
To transmit downlink channel information efficiently within limited bit rate of feedback channel, we find probability density function (pdf) of feedback information and design an appropriate quantizer. The system performance with weight update rate and the number of quantization levels is investigated by link-level simulation and the performance degradation due to feedback errors such as feedback transmission delay and quantization error is investigated in various channel environments.
The results show that the closed-loop transmit diversity has additional beamforming gain over open-loop transmit diversity at the same number of antennas and the uniform quantizer for feedback phase information is reasonable from the viewpoint of cost and complexity. As the maximum Doppler frequency increases, the performance degradation by slow update rate of beamforming weight is greater than that by few quantization levels. Therefore when the mobile velocity is high, the feedback channel has to be updated more frequently although it is quantized more roughly. On the other hands, at slow velocity of mobile, feedback channel has to be quantized into more bits than updated frequently with fewer quantization bits. Multi path fading channel is less sensitive to the feedback delay than flat fading channel and the more temporally and spatially correlated channel is less sensitive to the feedback delay.

목차 (Table of Contents)

• Contents = v
• Dedication = i
• Isaiah = ii
• Acknowledgements = iii
• List of Figures = vii
• List of Tables = iv
• Abstract = xi
• 1 Introduction = 1
• 2 Modeling and Simulation of Wireless Vector Channels = 4
• 2.1 Spatiotemporal Correlation = 5
• 2.2 Vector Channel Simulation Mode = l9
• 2.3 Performance of Vector Channel Simulation = 12
• 3 Transmit Beamforming = 15
• 3.1 Transmit Diversity Schemes = 16
• 3.1.1 OpenLoop Mode (OTD) = 16
• 3.1.2 ClosedLoop Mode (TXAA) = 18
• 3.2 Transmit Beamforming with Multiple Antennas = 20
• 3.2.1 BER Analysis with Fading Channel = 20
• 3.2.2 Weight Decision Algorithm = 24
• 4 Feedback Channel Design = 29
• 4.1 Quantization Method Used in TXAA = 31
• 4.2 Bit Allocation for Feedback Information = 33
• 4.3 Types of Quantizer = 36
• 4.3.1 The PDF of Phase Information = 36
• 4.3.2 Lloyd Max Quantizer = 40
• 5 Simulation and Result Based on cdma2000 System = 43
• 5.1 System Modeling = 43
• 5.2 Simulation Results = 46
• 5.2.1 Comparison of OTD and TXAA = 46
• 5.2.2 Transmit Beamforming with Multiple Antennas = 49
• 5.2.3 The Effect of Feedback Delay = 53
• 6 Conclusion = 58
• References = 60
• Summary (in Korean) = 62