Block diagonalization (BD) and coordinated beamforming (CBF) are two major signal processing schemes to achieve the sum rate close to the sum capacity of a multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) downlink. However, they do not achieve the full spatial multiplexing gain except under a special antenna configuration. In this paper, therefore, we propose a new linear pre-coding algorithm for achieving the full spatial multiplexing gain in a general antenna configuration. To obtain the full spatial multiplexing gain, the proposed algorithm divides the users into the two groups in terms of the number of data streams transmitted. In addition, to maximize the sum rate, we choose the member of each groups by comparing the eigenvalues of each effective channel. Simulation results confirm that the proposed scheme performs close to the sum capacity and achieves the full multiplexing gain.
최근에 다중 안테나 시스템에서 정보이론적 연구가 협력 전송에 의해 얻어지는 큰 게인 때문에 단일 유저 시스템 보다 다중 유저 시스템에 더 흥미를 갖고 있다. 다중사용자를 지원하는 다중 안테나의 다운 링크 채널에서의 총 캐패시티는 송신단에서 완벽하게 유저간의 간섭을 제거해주는 더티 페이퍼 코딩 기법에 의해 얻어지는 것이 증명되었다. 그러나, 더티 페이퍼 코딩은 아주 상당한 복잡도가 송신단과 수신단에서 사용되기 때문에 실제환경에서 실행되기 너무 어렵다. 그 결과, 여러 가지의 비선형 프리코딩 기법들이 캐패시티에 근접한 총 데이터 전송속도를 얻기 위해 연구되고 있다. 그러나 그것들의 송신단에서의 실행 복잡도가 여전히 높다.
더티 페이퍼 코딩과 비선형 프리코딩 기법들의 복잡도 문제를 해결하기 위하여, 선형 프리코딩 기법들이 개발되고 있다. 선형 프리코딩 기법들중 가장 기본적인 기법은 적당한 복잡도와 다중 데이터 스트림을 지원하고 캐패시티에 근접하는 성능을 얻는 블록 대각화(BD) 기법이다. 그러나 블록 대각화 기법은 전송 안테나의 개수가 송신 안테나들의 총 합 보다 커야 되는 제약을 가지고 있다고 알려져 있다. 그 제약 조건을 해결하기 위하여, 각 사용자의 수신 안테나 개수에 대한 제약을 갖고 있지 않는 공동 빔포밍(CBF) 기술이 연구되었다. 공동 빔포밍 기법은 각 사용자에게 단일 데이터 스트림을 전송하고 그래서 사용자의 수와 송신 안테나의 수가 같을 때 최대한의 공간 다중화 게인을 얻는다. 반면에 송신안테나의 개수가 사용자의 수보다 클 경우 공간 다중화 게인과 총 데이터 전송속도가 증가하지 않는다. 그래서 송신 안테나의 개수가 사용자의 수보다 클 경우 총 데이터 전송속도를 증가시키기 위하여 안테나 선택 기법이 제안되었다. 하지만 안테나 선택 기법은 단순히 조건이 좋은 채널을 선택하는 것이기 때문에 최대의 공간 다중화 게인을 얻지 못한다. 그러므로 안테나 선택 기법을 포함한 블록 대각화 기법과 공동 빔포밍 기법 또한 최대의 공간 다중화 게인을 만족하지 못한다.
따라서 이 논문에서, 우리는 선형 프리코딩 기법을 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 적용 가능한 조건인 송신 안테나 개수가 사용자의 수보다 크거나 같은 경우에서 최대의 공간 다중화 게인을 얻기 위한 새로운 선형 프리코딩 기법을 제안한다. 최대의 공간 다중화 게인을 위해서 제안된 기법은 사용자들을 다중 데이터 스트림을 받는 그룹과 단일 데이터 스트림을 받는 그룹으로 나눈다. 그래서 다중 데이터 스트림과 단일 데이터 스트림의 조합으로 인하여 그 제안된 프리코딩 기법은 항상 최대의 공간 다중화 게인을 얻게된다. 추가적으로 그룹을 나눈후 총 데이터 전송속도를 높이기 위한 적절한 유저들의 조합을 찾기 위하여 각 실질적인 채널의 고유값을 비교하는 간편한 그룹 선택 기법을 제안했다. 시뮬레이션 결과들은 제안된 기법의 우월성을 총 데이터 전송속도와 공간 다중화 게인의 비교를 통해 증명하였다. 또한 제안한 그룹 선택 기법의 성능은 모든 경우의 수를 고려한 선택 기법과 비슷한 성능을 보임을 알 수 있다.