공간 상관과 직접파 성분이 존재하는 다중 입출력 채널에서 공간 다중화를 위한 개루프 전치부호화 : Open-loop precoder for spatial multiplexing in MIMO channels with spatial correlations and a line-of-sight :

장정엽

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장정엽 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김동호

발행연도: 2016

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2016

공간 상관과 직접파 성분이 존재하는 다중 입출력 채널에서 공간 다중화를 위한 개루프 전치부호화 : Open-loop precoder for spatial multiplexing in MIMO channels with spatial correlations and a line-of-sight

장정엽 2016.01 학위논문

2015

채널 상관 및 직접파가 존재하는 해상 통신 환경에서 개루프 프리코딩 기반의 공간다중화 전송 기법

장정엽 , 이성로 , 김동호 한국통신학회논문지 2015.07 학술저널

상관 채널에서의 공간다중화 기법을 위한 개루프 프리코딩 기법

장정엽 , 김동호 한국통신학회논문지 2015.01 학술저널

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다중 입출력 (Multiple Input Multiple Output: MIMO)는 공간 다중화 (Spatial Multiplexing: SM)을 통해 고속 데이터 전송이 가능하다. 하지만 공간 다중화의 성능은 공간 채널 상관 (Spatial channel correlation) 과/또는 직접파 (line-of-sight: LOS)에 심각하게 영향을 받는다. 폐루프 (Closed-loop)가 가능한 통신 시스템에서는 송신기에서 채널 상태 정보 (channel state information: CSI)기반의 전치부호화를 적용하여 수신 성능을 향상 시킬 수 있다. 하지만 방송 시스템의 경우 역방향 채널이 존재하지 않고 송신기에서 채널상태정보를 이용할 수 없다. 또한, 통신 시스템에서 채널 상태의 불일치가 발생할 경우, 성능에 심각한 영향을 미친다. 이러한 시스템을 위해 채널 상태 정보를 요구하지 않은 개루프 (Open-loop) 전치 부호화가 제안 되었다. 하지만 기존의 연구에서는 분석적 전치 부호화 설계 방법이 제시되지 않았다.
본 논문에서는 최대 우도 (Maximum likelihood) 수신기를 사용하는 공간 다중화 시스템을 위한 개루프 전치부호화 설계 방법을 연구하였다. 첫째로, 상관계수의 진폭을 기반으로 회전 행렬(Rotational matrix) 을 사용하여 개루프 전치부호화 설계 방법을 제시한다. 전지 부호화 설계 방법은 최소 유클리디안 거리 (Euclidean distance) 기반 전치부호화에서 피드백 채널 상태 정보와 실제 채널의 상태간 채널 불일치의 영향을 분석함으로써 유도하였다. 다음으로 상관계수의 위상 영향을 고려한 개루프 전치 부호화 설계 방법을 제시하였다. 이 전치 부호화의 경우 위상 회전 행렬 (Symbol phase rotation matrix)이 회전 행렬에 추가 되었다. 최적의 전치 부호화는 상관계수의 위상에 대한 최악의 경우에서 최소 거리를 최대화하여 도출 하였다. 모의 실험 결과 제안한 개루프 전치 부호화 기법은 기존 기법에 비해 성능이 개선이 되는 것을 확인 하였다.
한편, DVB-NGH (Digital video broadcasting-next generation handheld) 및 ATSC (Advanced television systems committee) 3.0 표준에서 교차 편파 안테나 (Cross-polarized antennas)의 사용이 채택 되었다. 교차 편파 안테나는 UHF (Ultra-high frequency band) 대역에서 안테나 사이에 충분한 거리가 요구 되는 동일 편파 안테나 (Co-polarized antennas)의 단점을 극복하기 위해 채택이 되었고, 이는 높은 공간 채널 상관 및 직접파가 존재하는 채널 환경에서 성능 열화를 줄일 수 있는 것으로 알려져있다. 따라서, 본 논문에서 교차 편파 안테나를 사용하는 시스템에서 공간 채널 상관 및 직접파가 존재하는 채널환경에 대한 개루프 전치 부호화의 성능을 분석하였다. 분석 결과, 제안한 개루프 전치 부호화는 교차 편파 안테나를 사용하는 시스템에서도 기존 기법에 비해 성능이 우수함을 확인 하였다.

Multiple-input multiple-output (MIMO) can offer high data rates through spatial multiplexing (SM). However, the performance of SM systems is significantly affected by the spatial correlation and/or line-of-sight (LOS). In communication systems that are available for closed-loop MIMO, precoding can enhance the error performance by exploiting channel state information (CSI) at the transmitter. Unfortunately, however, broadcasting systems do not have a reverse channel and any CSI. Furthermore, channel mismatches in communication systems severely affect performance. For these systems, open-loop precoders that require no feedback CSI were proposed. However, an analytical precoder design method was not presented in the previous works.
In this thesis, we present an open-loop precoder design method for SM systems with a maximum-likelihood receiver. We first describe how to design an open-loop precoder using a rotational matrix based on the amplitude of the correlation. Our precoder design method is derived by observing the effect of correlation mismatch between the feedback CSI and the actual channel condition on a minimum Euclidean distance-based precoder. Next, we present a method to design an open-loop precoder that takes into account the impact of the phase of the correlation. For this precoder, a phase rotation matrix is added on the rotational matrix, and optimum parameters are obtained by maximizing the worst-case minimum distance for the phase of the correlation. The simulation results illustrate the validity of proposed open-loop precoder.
On the other hand, in digital video broadcasting-next generation handheld and advanced television systems committee 3.0 standards, cross-polarized antennas have been employed in order to overcome the insufficient antenna separation for co-polarized antennas in ultra-high frequency band, which is also known to enhance the performance in high correlations and LOS conditions. Thus, we analyze and evaluate the performance of the open-loop precoders with cross-polarized antennas over correlations and LOS conditions. The analysis shows that our proposed open-loop precoder performs better than other open-loop precoders even over correlations and LOS conditions with cross-polarized antennas.

1 Introduction 1
2 System Description 5
2.1 System model 5
2.2 Channel model 5
2.3 PEP of SM 9
3 Open-Loop Precoder Using Rotational Matrix over Amplitude of Transmit Correlation 11
3.1 PEP over transmit correlated MIMO channels 11
3.2 Minimum Euclidean distance-based precoder 12
3.3 Effect of correlation mismatch and determining angle of rotational matrix for open-loop precoder 16
3.4 Validity of open-loop precoder 18
3.5 Extension of precoder for 16-QAM 19
3.6 Simulation results 21
4 Open-Loop Precoder Considering Impact of Phase of Transmit Correlation 26
4.1 Effect of phase of correlation 26
4.2 Design of open-loop precoder considering impact of phase of correlation 29
4.3 Open-loop precoder for 4-QAM 31
4.4 Open-loop precoder for 16-QAM 33
4.5 Simulation results 35
5 Performance of Open-Loop Precoders with Cross-polarized Antennas over Spatial Correlations and LOS Conditions 42
5.1 Performance over spatial correlations without cross-polarized antennas 42
5.2 Performance over spatial correlations with cross-polarized antennas 44
5.3 Performance over LOS without cross-polarized antennas 48
5.4 Performance over LOS with cross-polarized antennas 50
5.5 Simulation results 51
6 Conclusion 60
A PEP Derivation 62
A.1 Derivation of (2.11) 62
A.2 Derivation of (2.13) 62
A.3 Derivation of (3.2) 64
A.4 Derivation of (5.12) 65
B Minimum Distance 66
B.1 Minimum distance of open-loop precoder using rotational matrix 66
B.2 Minimum distance of proposed open-loop precoder 67
B.3 Minimum value of minimum distance function of percoder (4.4) for βt 68
References 70
Abstract (in Korean) 76

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