Low-complexity transmitter and receiver design for generalized spatial modulation systems

Abstract

무선 통신 시스템의 발전은 시간의 흐름에 따라 데이터 전송량이 증가하는 방향으로 진행되어 왔다. 이에 따라 셀룰러망(cellular network) 의 형태도 조금씩 변화하여 왔다. 1 세대 및 2세대 망에서는 기지국이 하나의 안테나를 가지고 망을 형성하였고, 3세대 및 4 세대 망에서는 기지국이 다수의 안테나를 가지고 망을 형성하였다. 그리고 미래의 5 세대 이후에서는 매우 많은 수의 안테나(Massive-MIMO)를 사용할 것으로 예상된다. 안테나의 수가 증가하면서 전송량의 증대를 가져오게 되지만 간섭 제어와 복잡도를 줄이는 효율적인 전송 기법과 같은 추가적인 연구가 필요할 것이다. 공간 변조(Spatial Modulation: SM)는 대용량 마이모(Massive-MIMO) 시스템에서 복잡도를 줄이며 전송량의 향상도 동시에 얻을 수 있는 효율적인 전송 기법 중 하나이다. 공간 변조는 최근에 활발히 연구되고 있는 공간 효율성을 향상시켜주는 무선 송신 기술이다. 한개의 송신 안테나가 데이터 전송을 위해 활성되고, 데이터는 전송 하는 안테나의 위치를 추가적인 정보와 변조 좌표로부터 선택된 기호로 구성된다. 이를 통해 데이터 전송량이 증가할 뿐만아니라, 채널 간의 간섭을 줄일 수 있고, 송신 안테나간의 동기를 맞추지 않아도 되어 성능 향상을 얻을 수 있다. 또한, 단 한개의 전파(Radio-frequency) 체인을 통해 구현될 수 있기 때문에 전력면에서도 효율적으로 동작하게 된다. 공간변조의 확장된 기술로 일반화된 공간 변조(Generalized Spatial Modulation: GSM)가 연구되었다. 이것은 한 개 이상의 송신 안테나가 활성화 되어 데이터를 전송하는 기법으로, 공간 변조의 장점을 유지하면서 공간 효율성을 증가할 수 있다. 여러 안테나 중에서 선택된 각각의 안테나를 통해서는 활성화된 안테나들의 위치 정보와 안테나별로 변조된 서로 다른 신호를 보내게 된다. 최근에 연구되고 있는 공간 변조와 일반화된 공간 변조의 주제는 채널 용량 연구, 송신 전부호화 기법, 수신기 설계, 오류 성능 분석, 그리고 통신 시스템으로의 적용 등이다. 유한한 기호 입력을 가지는 일반화된 공간 변조에서의 상호 정보량 분석과 전부호화 설계는 아직 연구되지 않고 있다. 또한 실제의 시스템에 적용할 수 있는 저복잡도의 수신기 설계에 대한 필요성도 야기되고 있는 상황이다. 먼저, 일반화된 공간 변조에서 상호 정보량을 최대화하는 전부호화 기법을 제안하고 성능을 평가하였다. 이를 위해 유한한 기호 입력을 가지는 일반화된 공간 변조에서의 상호 정보량을 유도하였고, 구해진 상호 정보량을 최대화 하도록 전부호화를 설계 하였다. 하지만 일반화된 공간 변조에서 상호 정보량을 최대화하도록 전부호화를 구하는 문제는 볼록(convex) 하지 않고 서로 얽혀있기 때문에 바로 풀기 어렵다. 이 최적화 문제를 풀기 위해서 동일한 가상의 다중입력다중출력(MIMO) 시스템을 도입하여, 원래 시스템을 이 가상의 시스템으로 변환하였다. 그리고 타원 알고리즘(ellipsoid algorithm)을 수정하여 각각의 부채널들의 전력 제한 조건을 만족하도록 최적화 문제를 풀었다. 뿐만아니라, 보다 실제적인 상황에서의 성능을 평가하기 위해, 전부호화의 위치 정보를 코드북으로 사용하는 되먹임 시스템에서의 성능을 분석하였다. 실험 결과를 통해 제안하는 전부호화가 상호 정보량 성능을 매우 많이 향상시키는 것을 확인하였다. 또한, 일반화된 공간 변조의 실제 시스템을 고려하면 저복잡도의 수신기를 설계하는 것이 필요하기 때문에 이를 위한 수신 기법을 제안하였다. 최대 우도 검출기(Maximum Likelihood detector: ML detector)는 모든 채널 정보와 가능한 모든 전부호화 매트릭스에 대한 정보를 미리 알고 있어야 한다. 뿐만아니라, 최대 우도 검출기는 안테나 수가 증가함에 따라 복잡도가 매우 증가하는 한계가 있다. 이는 전송하는 모든 가지 수를 수신 신호와 비교해야 하기 때문에 실제 시스템에서의 적용은 어렵다. 본 논문에서는 CoSaMP 알고리즘을 사용하여 압축 센싱 기반의 수신기를 제안하였다. 제안한 압축 센싱 기반의 수신기는 활성화된 안테나 정보와 변조된 신호를 동시에 검출 할 수 있다. 이렇게 제안된 수신기의 오류 성능과 복잡도를 실험하여, 제안하는 기법이 저복잡도로 동작할 뿐 아니라 요구하는 오류 성능도 만족하는 것을 확인하였다.