Earticle

Vertical Bell Lab Layered Space-Time is a spatial multiplexing (SM) multi-input multi- output (MIMO) scheme that provides high spectral efficiency with low computational complexity. Ordered Successive Interference Cancellation (OSCI) is known as most representative detection algorithm for SM MIMO system. Error propagation is a major drawback constraining the overall performance of OSIC detection significantly. To solve this problem, we propose a new detection algorithm, which improves the performance of the conventional detection algorithm with reasonable increase of computational complexity. Simulation results show that the proposed algorithm outperforms the conventional detection algorithm under spatially uncorrelated as well as correlated channels.

최근 요구되는 트래픽이 지속적으로 증가하면서 광대역의 주파수를 확보할 수 있는 밀리미터파 기반의 이동통신 기술이 주목을 받고 있다. 하지만 밀리미터파 대역의 채널은 NLoS (Non-Line-of-Sight) 환경에 취약하며 경로 감쇠가 매우 큰 문제점을 갖는다. 이를 위해 기지국에 수십 개 이상의 안테나를 장착하여 빔 형성을 통해 경로 감쇠를 보완하는 Massive MIMO (Multiple Input and Multiple Output) 시스템이 연구되고 있다. 기존 빔 형성 기법에는 아날로그 방식과 디지털 방식 이 있지만 시스템의 복잡도와 비용적인 측면에서 Massive MIMO 시스템에 적용하기에 현실적인 어려움이 따른다. 따라서 본 논문에서는 밀리미터파 대역의 Massive MIMO 시스템에서 상기 두 방식을 융합한 하이브리드 빔 형성 기법을 연구한다. 또한 다수의 안테나를 장착한 다중 사용자를 서비스할 수 있도록 공간 다중화 기법을 고려한다. 주파수 효율 분석을 통해 빔 형성 및 공간 다중화에 의한 이득을 평가한다.

Recently, as required wireless communication traffic increase, millimeter wave mobile technologies that can secure broadband spectrum are gaining attention. However, the path loss is high in the millimeter wave channel. Massive MIMO system is being researched in which can complement the path loss by beamforming by equiped large-scale antenna at the base station. While legacy beamforming techniques have analog and digital methods, practical difficulties exist for application to massive MIMO systems in terms of system complexity and cost. Therefore, this paper studies a hybrid beamforming scheme for massive MIMO system in the millimeter wave band. Also this paper considers spatial multiplexing scheme to serve multi-users with multiple received antennas. Gains of the beamforming and the spatial multiplexing schemes are evaluated by analyzing the spectral efficiency.

Lattice-reduction (LR) techniques have been developed for signal detection in spatial multiplexing multiple input multiple output (MIMO) systems to obtain the largest diversity gain. Thus, an LR-assisted zero-forcing (ZF) receiver can achieve the maximum diversity gain in spatial multiplexing MIMO systems. In this paper, a simplified analysis of the achievable diversity gain is presented by fitting the channel coefficients lattice-reduced by a complex Lenstra-Lenstra-Lováz (LLL) algorithm into approximated Gaussian random variables. It will be shown that the maximum diversity gain corresponding to two times the number of receive antennas can be achieved by the LR-based ZF detector. In addition, the approximated bit error rate (BER) expression is also derived. Finally, the analytical BER performance is comparatively studied with the simulated results.

MIMO (Multiple Input Multiple Output) that use multiple antennas in transmitter and receiver is considered to be powerful technology in future wireless communication system. The major problem facing in this multipath propagation is the interference between symbols transmitted through adjacent channels. i. e. Inter Symbol Interference. This could be avoided if we use OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) technology. Thus MIMO combined with OFDM has got prior importance in future wireless communication system. The major properties of MIMO system involve Spatial Diversity and Spatial Multiplexing. In former case same copies of data is being transmitted in the MIMO channels while in latter case different user’s data is being transmitted in the MIMO channels. In this paper, a MIMO-OFDMA system with both the advantages of Spatial Diversity and Spatial Multiplexing is suggested.

최근 무선전송에서 SISO(single input singe output) 시스템의 전송률이 샤논 한계(Shannon limit)에 근접함에 따라, 이것을 극복하여 더 높은 데이터 전송률을 얻기 위해 MIMO(multiple input multiple output) 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 현재 진행 중인 DVB-NGH 시스템 표준화에도 전송률 개선을 위해 MIMO SM(Spatial Multiplexing) 기술에 대해 고려하고 있으며, 방송 시스템 내 송수신 안테나들 간 상관(correlation)이 발생하는 경우에 성능 개선을 위해 Precoding과 MIMO SM을 결합한 $2{\times}2$ 구조의 MIMO SM 방법이 제안되었다. 이 방법은 두 개의 송신안테나에 모두 16QAM 신호가 전송되는 경우와 두 송신안테나에 각각 16QAM, QPSK 신호가 전송되는 경우를 포함하고 있다. 이때 고출력 증폭기(high power amplifier) 전단에서 두 송신 안테나에 서로 다른 변조가 적용되는 경우에 PAPR(peak-to-average power ratio)이 달라서 고출력 증폭기 출력단의 송신전력 차이로 인해 각 신호의 방송권역(coverage)이 같지 않은 문제가 발생한다. 본 논문은 이러한 문제를 극복하기 위해 $2{\times}2$ MIMO SM 방식에서 송신 안테나별로 신호의 변조방식이 서로 다른 경우에 송신신호의 PAPR을 같게 하여 증폭기 출력단에서 각 송신신호의 전력이 동일하게 할 수 있는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 수신기의 복잡도를 증가시키지 않으면서 두 송신 신호의 방송권역을 동일하게 한다.

This paper applies transmit antenna selection algorithms to spatial-temporal combining-based spatial multiplexing (SM) ultra-wideband (UWB) systems. The employed criterion is based on the largest minimum output signal-to-noise ratio of the multiplexed streams. It is shown via simulations that the bit error rate (BER) performance of the SM UWB systems based on the two-dimensional Rake receiver is significantly improved by antenna diversity through transmit antenna selection on a log-normal multipath fading channel. When the transmit antenna diversity through antenna selection is exploited in the SM UWB systems, the BER performance of the spatial-temporal combining-based zero-forcing (ZF) receiver is also compared with that of the ZF detector followed by the Rake receiver.

In this paper, various ultra-wideband (UWB) spatial multiplxing (SM) multiple input multiple output (MIMO) receivers based on a prerake diversity combining scheme are discussed and their performance is analyzed. Several UWB MIMO detection approaches such as zero forcing (ZF), minimum mean square error (MMSE), ordered successive interference cancellation (OSIC), sorted QR decomposition (SQRD), and maximum likelihood (ML) are considered in order to cope with inter-channel interference. The UWB SM systems based on transmitter-side multipath preprocessing and receiver-side MIMO detection can either boost the transmission data rate or offer significant diversity gain and improved BER performance. The error performance and complexity of linear and nonlinear detection algorithms are comparatively studied on a lognormal multipath fading channel.

본 논문에서는 제한된 피드백 정보를 사용하는 공간 다중화 기법에 사용될 수 있는 부 공간 방식 기반 preceding 기법을 제안한다. 제안된 preceding 기법은 수신기에서 다수의 공통 기저 집합(common basis sets)으로부터 용량을 최대로 하는 기저들을 선택하고, 선택된 기저들은 feedback 정보를 통해 송신기에 전달되고, 송신기에서는 선택된 기저들로 이루어진 precoding 행렬을 구성한다. 선택된 기저들은 해당 기저들이 속한 기저 집합의 index에 대한 feedback 정의와 선택된 기저 집합에서 각 기저들의 선택 여부에 대한 feedback 정보를 통해 송신기로 feedback된다. 선택된 기저 집합 index는 송수신기가 약속한 공통 기저 집합중에서 해당 MIMO 채널의 부 공간의 좌표(coordinate)에 가장 적합한 좌표를 나타내고, 해당 좌표에서 상당한 양의 에너지를 포함하는 기저들을 선택함으로써 적은 feedback 정보량으로 MIMO 채널을 묘사하다. 시뮬레이션을 통해 제안된 부 공간 방식 기반 precoding 기법이 적은 feedback 정보량을 사용하면서 폐루프 MIMO 용량 (closed-loop MIMO capacity)에 근접하는 용량을 제공함을 보인다.

In this paper, for spatial multiplexing with limited feedback, we propose subspace based precoding in which the active bases are selected at the receiver from a finite number of basis sets known at both receiving and transmitting ends, conveyed to the transmitter using limited feedback, and assembled into a preceding matrix at the transmitter. The selected bases are conveyed to the transmitter using feedback information on both the index of a basis set, which indicates the most appropriate set of coordinates for describing a MIMO channel, and the active bases having the significant amounts of energy in the selected basis set. We show that the proposed subspace based precoding provides capacity similar to that of the closed-loop MIMO even with limited feedback.

In this paper, the capacity of MIMO fading channel in the OFDM-based spatial multiplexing systems is analyzed when there is scattering at both transmitter and receiver. The employed MIMO channel model is spanning from the correlated low-rank case to uncorrelated high-rank case at both transmitter and receiver. The effects of spatial fading correlation on the capacity of MIMO channel is examined when the channel is known and unknown at the transmitter. We also evaluate the impacts of a channel estimation error at the transmitter on the MIMO channel capacity.

본 논문에서는 다중안테나를 갖는 공간 다중화 시스템에서 주어진 채널에 대한 maximum likelihood 검출기의 성능을 수식적으로 유도하였다. 벡터 심볼 오차율을 구하기 위해 nearest neighbor의 방향을 나타내는 에러벡터를 정의하였다. 전송 벡터 심볼이 랜덤한 채널에 의해 변환 될 경우 확정적으로 4개의 nearest neighbor를 가짐을 정의된 에러벡터의 특성을 이용해 입증하였다 변형된 구 검출기로부터 획득 가능한 에러벡터와 최소거리 정보를 바탕으로 주어진 랜덤 채널 하에서 벡터 심볼 오차율을 수식적으로 도출하였다. 유도된 벡터 심볼 오차식을 검증하기 위해, 랜덤 채널을 unitary 채널, dense 채널, sparse 채널로 분류한 후 각 채널 상황에서 유도된 결과 식을 모의 실험 결과와 비교하였다. 모의실험 결과로부터 유도된 벡터 심볼 오차식이 다양한 랜덤 MIMO 채널에서 ML 검출기의 성능을 잘 근사하고 있음을 입증하였다.

The performance of maximum likelihood(ML) detection for the given channel is analyzed in spatially multiplexed MIMO system. In order to obtain the vector symbol error rate, we define error vectors which represent the geometrical relation between lattice points. The properties of error vectors are analyzed to show that all lattice points in infinite lattice almost surely have four nearest neighbors after random channel transformation. Using this information and minimum distance obtained by the modified sphere decoding algorithm, we formulate the analytical performance of vector symbol error over the given channel. To verify the result, we simulate ML performance over various random channel which are classified into three categories: unitary channel, dense channel, and sparse channel. From the simulation results, it is verified that the derived analytical result gives a good approximation about the performance of ML detector over the all random MIMO channels.

In this paper, we provide a new detection scheme for a pilot symbol assisted interference nulling and cancellation operation to reduce unexpected effects owing to parallel transmission in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based spatial multiplexing systems. We have shown that the investigated OFDM vertical Bell laboratories layered space time (VBLAST) detection based on hybrid processing performs better than ordinary OFDM-VBLAST detections based on serial processing and parallel processing, respectively.

본 논문에서는 다중 입출력 (MIMO) 공간다중화 (spatial multiplelxing, SM) 시스템을 위한 효율적인 심볼 검출 알고리즘이 제안되고, 이의 최적 설계 및 구현 결과가 제시된다. 에러 전파 (error propagation)을 야기하는 첫 검출 심볼의 검출 성능을 개선시킴으로써, 제안된 알고리즘은 기존의 정렬된 QR 분해 (sorted QR decomposition, SQRD) 기반 알고리즘이나 정렬된 순차적 검출 (ordered successive detection, OSD) 알고리즘에 비해 성능 이득을 얻을 수 있다. 4개의 송수신 안테나를 갖는 16QAM MIMO-SM 시스템에 대한 성능 평가 결과, 제안된 알고리즘은 기존 알고리즘에 비해 $10^{-3}$의 EBR에서 약 2.5-13.5 dB의 성능 이득을 얻음을 확인하였다. 제안된 알고리즘은 하드웨어 설계 언어를 이용하여 설계 되었고, 0.18um CMOS 표준 셀 공정 라이브러리를 이용하여 합성 및 구현되었다. 구현결과, 제안된 알고리즘은 하드웨어의 큰 증가없이 구현 가능함을 확인할 수 있었다.

In this paper, we propose an efficient symbol detection algorithm for multiple-input multiple-output spatial multiplexing (MIMO-SM) systems and present its design and implementation results. By enhancing the performance of the first detected symbol which causes error propagation, the proposed algorithm achieves a considerable performance gain as compared to the conventional sorted QR decomposition (SQRD) based detection and the ordered successive detection (OSD) algorithms. The bit error rate (BER) performance of the proposed detection algorithm is evaluated by the simulation. In case of 16QAM MIMO-SM system with 4 transmit and 4 receive ($4{\times}4$) antennas, at $BER=10^{-3}$ the proposed algorithm obtains the gai improvement of about 2.5-13.5 dB over the conventional algorithms. The proposed detection algorithm was designed in a hardware description language (HDL) and synthesized to gate-level circuits using 0.18um 1.8V CMOS standard cell library. The results show that the proposed algorithm can be implemented without increasing the hardware costs significantly.

The beating of two or more lasers that have the same or a finite difference in the central frequencies, is the main source of noise in spectral amplitude coding optical code division multiple access (SAC OCDMA) systems. In this paper we adopt a spatial multiplexing (SM) scheme for SAC OCDMA systems to mitigate this beat noise. The results show that for different code weights and different data rates SM SAC can support a larger number of users than the conventional SAC for all different laser source configurations. However, SM SAC requires a more complex system than the conventional SAC, and almost twice as much optical component.

단일 주파수 방송 시스템에서 이레이저 현상이 생길 경우 기존의 공간 다중화 기법은 큰 성능 저하가 발생한다. 이에 본 논문에서는 라이시안 이레이저 페이딩 채널 환경에서 기존의 $2{\times}2$ 공간 다중화 기법에 직교 선부호기를 직렬 연접한 공간 다중화 기법의 성능을 분석하고, 수신 SER 성능을 최대화하는 선부호기 최적화를 수행한다. 전산 실험 결과, Rician 이레이저 페이딩 채널 환경에서 최적의 선부호화 공간 다중화 기법은 수신단에서 성상 모호성을 줄여 기존의 공간 다중화 기법에 비하여 우수한 성능 향상을 보였다.

지상파 디지털 방송시스템에서도 높은 전송율에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 무엇보다도 MIMO 기술 도입이 필요하다. 본 논문에서는 DVB-NGH 시스템에서 편파 $2{\times}2$ MIMO SM을 적용할 경우 공간 채널 상관도가 높은 지상파 방송 채널에서의 성능을 개선하기 위한 전치 부호화 기법을 제안하였다. 또한, 제안한 전치 부호화 기법을 적용할 때, 2개의 안테나에 서로 다른 변조 차수를 가진 신호를 전송할 경우 서로 다른 전력을 이용하여 수신 성능을 향상시키는 기법을 제안하였다. 제안한 기법을 최적화하기 위해 전치 부호화를 위한 위상 회전값과 적합한 서로 다른 전력비를 구하였다. 도출된 파라미터를 지상파 방송환경에 적용하여 모의실험을 통해 기존 SM에 비해 성능이 향상됨을 보였다.

Recently terrestrial digital broadcasting systems have experienced a growth with the demand of high data rate. In order to meet such demand, the MIMO technology has received a wide attention. This paper proposes a pre-coding method, which provides high space channel correlation for the improved performance over terrestrial broadcasting channels when the polarized $2{\times}2$ MIMO SM is adopted for DVB-NGH systems. When signals with two different modulation orders are transmitted through two antennas, a method that is based on non-uniform power is also proposed for improved reception performance. To optimize the proposed method, phase shifting values for the pre-coding method and appropriate unequal power ratio are obtained. These obtained parameters are applied to a terrestrial broadcasting system, and then the performance improvement over the conventional SM is shown through computer simulations.

5G통신의 핵심 기술인 거대다중안테나 시스템은 송신단에서 많은 양의 채널정보가 필요하기 때문에 제한된 채널 피드백을 사용하는 주파수 분할 이중 시스템에서 구현이 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 장시간 변하지 않는 채널 상관도 정보를 이용하여 단말 그룹 간 간섭을 제거함으로써 채널정보 요구량을 비약적으로 감소시키는 Joint Spatial Division and Multiplexing(JSDM)기법이 제안되었고, 최근에는 그룹 간 잔여 간섭을 허용함으로써 성능을 더욱 향상시키는 정규화된 JSDM기법이 제안된 바 있다. 하지만 기존 JSDM관련 연구들은 주로 그룹 간 간섭제거에 초점을 두고 설계되었기 때문에, 그룹내 간섭 제거 단계에서 제한적인 피드백을 가정한 보다 실제적인 환경에서 성능분석이 이루어지지 못하였다. 본 논문에서는 JSDM기법과 정규화된 JSDM기법을 제한된 피드백 환경에서 그룹 수와 그룹 내 사용자 수에 따른 성능을 분석하고 시뮬레이션 결과를 통해 정규화된 JSDM기법이 제한된 피드백 환경에서 기존 JSDM대비 더욱 두드러지는 이득을 보임을 입증한다.

The massive MIMO system, which is a core technology of 5G communication systems, has a problem that it is difficult to implement in a frequency division duplex system based on limited channel feedback because a large amount of channel information is required at the transmitting end. In order to solve this problem, the Joint Spatial Division and Multiplexing (JSDM) technique that dramatically reduces the channel information requirement by removing interference between the user groups using channel correlation information that does not change for a long time has been proposed. Recently, a regularized JSDM technique has been proposed to further improve performance by allowing residual interference between the user groups. However, such JSDM-related studies were mainly designed to focus on inter-group interference cancellation, and thus performance analysis was not performed in a more realistic environment assuming limited feedback in the intra-group interference cancellation phase. In this paper, we analyze the performance of the JSDM and regularized JSDM techniques according to the number of groups and users in a limited feedback environment, and through the simulation results, demonstrate that the regularized JSDM technique shows a more remarkable advantage compared to the existing JSDM in a limited feedback environments.