The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication (한국인터넷방송통신학회논문지)

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SLNR-Based Precoder Design for Multiuser MIMO in Distributed Antenna Systems

분산 안테나 시스템에서 다중 사용자 MIMO를 위한 SLNR 기반의 프리코더 설계

  • Seo, Bangwon (Division of Electrical, Electronic, and Control Engineering, the Institute of IT Convergence Technology (IICT), Kongju National University)
  • 서방원 (공주대학교 전기전자제어공학부 / IT융합기술연구소)
  • Received : 2018.10.30
  • Accepted : 2018.12.07
  • Published : 2018.12.31
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Abstract

In this paper, we consider a precoder design for downlink multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) in distributed antenna systems (DAS). In DAS, remote radio heads (RRHs) are placed at geographically different locations within a cell area. Three different precoder design schemes are proposed to maximize the separate or joint signal-to-leakage-plus-noise ratio (SLNR) metrics by considering RRH sum power or per-RRH power constraints. The analytical closed-form form solution for each optimization problem is presented. Through computer simulation, we show that the joint SLNR based precoding schemes have better signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) and bit error rate (BER) performances than the separate SLNR based schemes. Also, it is shown that the precoding scheme with RRH sum power constraint has better performance than the precoding scheme with per-RRH power constraint.

본 논문에서는 분산 안테나 시스템의 하향링크 다중 사용자 MIMO를 위한 프리코더 설계에 대해서 고려한다. 분산 안테나 시스템에서 RRH (Remote Radio Head)는 셀 영역 내에서 지리적으로 서로 다른 위치에 배치되게 되는데, RRH에서 적용하기 위한 세 가지 종류의 프리코더 설계 방법을 제안한다. 모든 RRH들의 전송 전력 합, 또는 각 RRH의 전송 전력에 대한 제약 조건 하에서, 개별 SLNR 또는, 결합 SLNR (Signal-to-Leakage plus Noise Ratio) 비용함수를 최대화시키도록 프리코더를 설계한다. 그리고, 각각의 최적화 문제에 대한 분석적 이론해를 제시한다. 컴퓨터 모의실험을 통하여, 결합 SLNR 기반의 프리코더 설계 방법이 개별 SLNR 기반의 프리코더 설계 방식보다 더 높은 SINR (Signal-to-Interference plus Noise Ratio) 성능과 더 낮은 BER (Bit Error Rate) 성능을 갖는다는 것을 보인다. 또한, 모든 RRH들의 전력 합에 대한 제약 조건을 갖는 프리코더 설계 방법이 각 RRH 전송 전력 제약 조건을 갖는 방식보다 더 좋은 성능을 갖는다는 것을 보인다.

Keywords

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그림 1. 분산안테나 시스템에서 하향링크 거대 MU-MIMO 모델 Fig. 1. Downlink massive MU-MIMO model for distributed antenna systems

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그림 2. 제안하는 프리코더 설계 기술들의 SINR 성능 비교 Fig. 2. SINR comparison of the proposed precoder design schemes

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그림 3. QPSK를 적용했을 때, 제안하는 프리코더 설계 기술들의 BER 성능 비교 Fig. 3. BER comparison of the proposed precoder design schemes when QPSK modulation is employed.

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그림 4. 16-QAM을 적용했을 때, 제안하는 프리코더 설계 기술들의 BER 성능 비교 Fig. 4. BER comparison of the proposed precoder design schemes when 16-QAM modulation is employed.

References

  1. E. G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, and T. L. Marzetta, "Massive MIMO for next generation wireless systems", IEEE Commun. Mag., Vol. 52, No. 2, pp. 186-195, Feb. 2014. DOI: 10.1109/MCOM.2014.6736761.
  2. L. Lu, G. Y. Li, A. L. Swindlehurst, A. Ashikhmin, and R. Zhang, "An overview of massive MIMO: Benefits and challenges", IEEE J. Sel. Topics Signal Process., Vol. 8, No. 5, pp. 742-758, Oct. 2014. DOI: 10.1109/JSTSP.2014.2317671
  3. X. Yu, S.-H. Leung, W. Xu, X. Dang, Z. Luo, and Y. Wang, "Precoding design for distributed antenna systems in spatially correlated Ricean fading channel", IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 65, No. 11, pp. 9138-9152, Nov. 2016. DOI: 10.1109/TVT.2016.2519911
  4. H. Ren, N. Liu, C. Pan, and L. Hanzo, "Joint Fronthaul link selection and transmit precoding for energy efficiency maximization of multiuser MIMO-aided distributed antenna systems", IEEE Trans. Commun., Vol. 65, No. 12, pp. 5180-5196, Dec. 2017. DOI: 10.1109/TCOMM.2017.2728526
  5. R. W. Heath, T. Wu, Y. H. Kwon, and A. C. K. Soong, "Multiuser MIMO in distributed antenna systems with out-of-cell interference", IEEE Trans. Signal Process., Vol. 59, No. 11, pp. 4885-4899, Oct. 2011. DOI: 10.1109/TSP.2011.2161985
  6. Q. H. Spencer, C. B. Peel, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, "An introduction to the multi-user MIMO downlink", IEEE Commun. Mag., Vol. 42, No. 10, pp. 60-67, Oct. 2004. DOI: 10.1109/MCOM.2004.1341262
  7. Y.-J. Hong, "Performance of M-ary OSTBC MIMO system", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (JKAIS), Vol. 16, No. 9, pp. 6269-6273, Sept. 2015. DOI: 10.5762/KAIS.2015.16.9.6269
  8. Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, "Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels", IEEE Trans. Signal Process., Vol. 52, No. 2, pp. 461-471, Feb. 2004. DOI: 10.1109/TSP.2003.821107
  9. J. Park, B. Lee, and B. Shim, "A MMSE vector precoding with block diagonalization for multiuser MIMO downlink", IEEE Trans. Commun., Vol. 60, No. 2, pp. 569-577, Feb. 2012. DOI: 10.1109/TCOMM.2011.122111.100681
  10. J. S. Yang, T. C. Shin, and M. H. Lee, "MIMO channel diagonalization: Linear detection ZF, MMSE", Journal of The Instiute of Internet, Broadcasting and Communications (JIIBC), Vol. 16, No. 1, pp. 15-20, Feb. 2016.
  11. M. Schubert and H. Boche, "Solution of the multiuser downlink beamforming problem with individual SINR constraints", IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 53, No. 1, pp. 18-28, Jan. 2004. DOI: 10.1109/TVT.2003.819629
  12. A. Wiesel, Y. C. Eldar, and S. Shamai, "Linear precoding via conic optimization for fixed MIMO receivers", IEEE Trans. Signal Process., Vol. 54, No. 1, pp. 161-176, Jan. 2006. DOI: 10.1109/TSP.2005.861073
  13. M. Sadek, A. Tarighat, and A. H. Sayed, "A leakage-based precoding scheme for downlink multi-user MIMO channels", IEEE Trans. Wireless Commun., Vol. 6, No. 5, pp. 1711-1721, May. 2007. DOI: 10.1109/TWC.2007.360373
  14. P. Cheng, M. Tao, and W. Zhang, "A new SLNR-based linear precoding for downlink multi-user multi-stream MIMO systems", IEEE Commun. Lett., Vol. 14, No. 11, pp. 1008-1010, Nov. 2010. DOI: 10.1109/LCOMM.2010.091710.100868
  15. M. Sadek and S. Aissa, "Leakage based precoding for multi-user MIMO-OFDM systems", IEEE Trans. Wireless Commun., Vol. 10, No. 8, pp. 2428-2433, Aug. 2011. DOI: 10.1109/TWC.2011.062111.101748