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공간 채널 모델의 통계적 특성을 활용하는 MIMO 시스템의 코드북 결정 및 성능 평가
서준엽(Junyeub Suh),강호식(Hosik Kang),성원진(Wonjin Sung) 대한전자공학회 2015 전자공학회논문지 Vol.52 No.7
LTE (long-term evolution) MIMO 시스템에서는 제한된 피드백 환경 하에서 추정된 채널 정보를 활용하기 위한 코드북이 사용되고 있으며,이와 관련된 연구도 활발히 진행되었다. 기존에 활용된 방식으로는 VQ (vector quantization) 기반 및 DFT (discrete fourier transform) 기반으로 생성된 코드벡터를 활용하는 코드북이 있으, LTE 표준에서도 이를 변형한 방식을 최 대 8개의 송신 안테나에 대해 적용할 수 있게 규정하고 있다. 그러나 안테나 개수가 추가적으로 증가하고, 공간 채널 모델이 LTE 시스템 전송 성능 평가에 기본적인 모델로 활용됨에 따라, 이에 따른 새로운 빔포밍 방안 및 코드북 설계가 필요하다. 본 논문에서는 LTE 전송 성능 평가에 활용되는 3차원 공간 채널 모델 (3D Spatial Channel Model; 3D-SCM)의 구현을 통해 생성된 채널의 핵심적인 통계적 특성을 분석하고, 이에 따른 코드북 설계의 방향성을 제시하고자 한다. 특히 DFT 기반 코드 북 활용 시, 기존의 균일위상 DFT 코드북을 개선한 비균일위상 DFT 코드북을 제안하고, 주어진 SCM 환경에서 성능을 평가 한다. 코드벡터 설계에 필요한 인접한 안테나 원소 간의 위상차의 통계적 특성의 경우 SCM에서 뚜렷한 경향성이 존재하며, 이를 적절히 활용함으로써 기존 방식 대비 이득을 발생시킬 수 있다. Far long-term evolution (LTE) MIMO transmission, codebooks are used to utilize the estimated channel information under the limited feedeback environment, and related study has been actively performed. Existing codebooks include codevectos constructed based on vector quantization (VQ) and discrete Fourier transform. (DFT), and the LTE standard specifies codebooks modified from these examples to support up to 8 transmit antennas. As the number of antennas increases and as the spatial channel model is used as a standard environment to evaluate the LTE transmission performance, new beamforming methods as well as codebook designs are needed. In this paper, we implement the 3-dimensional spatial channel model (3D-SCM) to analyze the key statistical characteristics of the generated channel, and present efficient ways of determining corresponding codebooks. In particular, we propose a nonuniform-phase DFT-based codebook to in miprove the existing uniform-phase DFT-based codebook, and evaluate its performance under the given SCM transmission environment. There exists a strong tendancy in statistical distributions of the phase difference between adjacent antenna elements for the SCM, which can be appropriately exploited in codebook design to produce a performance gain over the existing design.
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원형 안테나 배열의 위상 차이 분포 특성을 활용한 코드벡터 결정 방식 및 성능 평가
김희원(Huiwon Kim),서준엽(Junyeub Suh),성원진(Wonjin Sung) 대한전자공학회 2016 전자공학회논문지 Vol.53 No.10
현재 사용 중인 이동 통신 시스템에서는 주파수 효율을 높이기 위한 주요한 방법으로 다중 입출력 송수신 (multiple-input multiple-output; MIMO) 전송 기술을 사용하고 있다. MIMO 전송 시 채널의 추정을 통한 정확한 빔포밍의 수행은 수신 신호의 신호 대 간섭 및 잡음 비 (signal-to-interference-plus-noise ratio; SINR) 증가와 시스템의 성능 향상에 기여하며, 따라서 빔포밍 벡터와 이를 정의하는 코드북 설계에 관한 논의는 매우 중요하다. 본 논문에서는 균일 원형 배열 (uniform circular array; UCA) 구조 환경에 적합한 코드북을 제안하기 위해 인접 안테나 간 채널의 위상 차이를 통계적으로 분석한 후, 확률 밀도 함수의 분포에서 나타난 위상의 이동 정도를 보상하기 위해 새로운 매개 변수를 추가하는 방법을 사용한다. 제안 코드북은 공간채널모델 환경에서 성능 평가를 진행하여 기존의 LTE (long term evolution) Release 8과 Release 10에서 제시한 표준 코드북 대비 큰 폭의 성능 이득을 보임을 확인한다. Current mobile communication systems utilize the multiple-input multiple-output (MIMO) transmission technique as an important means to enhance the bandwidth efficiency. Accurate beamforming via channel estimation contributes to the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) increase and the system performance improvement when MIMO transmission techniques are employed. Therefore, determination of beamforming vectors as well as the design of appropriate codebooks defining these codevectors play an important role in system operation. In this paper, we statistically analyze the phase difference between the channels corresponding to adjacent antenna elements in order to design an efficient codebook for uniform circular arrays (UCAs). We introduce new parameters which compensate for the additional phase difference observed in its probability density functions (PDFs). The performance of the proposed codebook is tested using the spatial channel model (SCM) to demonstrate its gain over the standard codebooks adopted in the long term evolution (LTE) Releases 8 and 10.
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MIMO 송수신 시스템 성능 평가를 위한 공간 채널 모델의 통계적 특성 분석
신준식(Junsik Shin),서준엽(Junyeub Suh),강호식(Hosik Kang),성원진(Wonjin Sung) 한국전자파학회 2015 한국전자파학회논문지 Vol.26 No.8
다중안테나 송수신을 활용하는 MIMO 시스템은 5세대 이동통신의 용량 증대를 위한 핵심 기술 중 하나이다. MIMO 관련 기술에 대한 적절한 성능 평가가 이루어지기 위해서는 공간 채널이 반영된 무선 채널 모델의 적용이 필요하며, 이에 적절한 채널 모델로서 3GPP에서 TR36.873 문서를 통해 제안한 3차원 공간채널모델(3-Dimensional Spatial Channel Model; 3D SCM)이 있다. 본 논문에서는 3D SCM 기반 채널 시뮬레이션 환경을 구현하고 검증하며, 이를 통해 확인되는 UMi 및 UMa 특성을 제시하고 비교한다. 또한, UMa 시나리오에 MIMO 전송 환경을 도입하여 안테나 배열 간격의 변화에 따른 안테나 원소 간의 채널 상관도를 살펴보고, 이에 따른 수율의 변화를 확인한다. 섹터 내 사용자를 무작위 균일분포시켰을 경우에 대해 수평 및 수직 안테나 원소 간격 변화에 따른 채널 전력 상관도를 측정함으로써, SCM 환경 하에서 전송 성능을 결정하는 통계적 특성을 제시한다. MIMO systems utilizing multiple antenna transmission and reception is one of the key technologies to enhance the capacity of 5G wireless communications. In order to obtain an appropriate performance evaluation of MIMO techniques, the usage of wireless channel model reflecting spatial channel characteristics is required, such as the 3-dimensional spatial channel model(3D SCM) proposed by 3GPP TR36.873 documentation. In this paper, we implement and verify the channel simulation environment based on 3D SCM, to present and compare the characteristics of UMi and UMa environments. We also apply MIMO transmission to the UMa scenario to investigate the channel correlation among antenna elements with different array distances and to identify the corresponding throughput changes. By evaluating the channel power correlations for randomly distributed users within the sector for different horizontal and vertical antenna distances, we present the statistical characteristics which determine the transmission performance under the SCM environment.
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