[논문]레일리 페이딩 채널에서 LLR 기반의 협력 ARQ 프로토콜

최대규; 공형윤

레일리 페이딩 채널에서 LLR 기반의 협력 ARQ 프로토콜
LLR-based Cooperative ARQ Protocol in Rayleigh Fading Channel 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.45 no.4 = no.370, 2008년, pp.31 - 37

최대규 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부) , 공형윤 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부)

초록
AI-Helper

기존의 협력통신은 목적지 노드에서 소스 노드와 릴레이 노드들로부터 독립적인 채널의 동일한 신호를 수신하므로 공간 다이버시티와 경로손실감소 이득을 얻을 수 있다. 하지만, 릴레이 노드의 사용으로 인해 주파수 효율이 저하되고, maximal ratio combining (MRC) 결합 방식을 사용함으로써 수신단의 복잡도가 증가하는 문제를 초래하였다. 본 논문에서는 이러한 단점을 개선하는 동시에 우수한 BER 성능을 얻을 수 있는 협력 ARQ 프로토콜을 제안하였다. 이 방식은 소스 노드로부터 수신한 신호를 우선적으로 목적지 노드에서 평가하여 만족되어질 경우, ACK 메시지를 소스 노드와 릴레이 노드로 전송하고 수신한 신호를 복구하므로 기존의 협력통신에 비해 주파수 효율을 높일 수 있다. 또한, ARQ 메시지가 NACK일 경우 릴레이 노드는 선택적 재전송을 하므로 소스 노드가 재전송하는 일반적인 ARQ 프로토콜에 비해 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다. 제안하는 프로토콜에서의 선택적 전송과 ARQ 메시지의 정보는 각각 소스 노드로부터 수신한 신호의 log-likelihood ratio (LLR) 계산 값과 임의의 문턱 값을 비교하여 결정하므로 기존의 CRC 부호를 위한 대역폭 할당을 요구하지 않으며, 목적지 노드에서 부가적인 결합방식을 사용하지 않음으로써 수신단의 복잡도를 줄일 수 있었다. 레일리 페이딩과 AWGN를 고려한 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 주파수 효율과 BER 성능을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Conventional cooperative communications can attain gain of spatial diversity and path loss reduction because destination node independently received same signal from source node and relay node located between source node and destination node. However, these techniques bring about decreased spectral efficiency with relay node and increased complexity of receiver by using maximal ratio combining (MRC). This paper has proposed cooperative ARQ protocol that can improve the above problems and can get the better performance. This method can increase the spectral efficiency than conventional cooperative communication because if the received signal from source node is satisfied by the destination preferentially, the destination transmits ACK message to both relay node and source node and then recovers the received signal. In addition, if ARQ message indicates NACK relay node operates selective retransmission and we can increase reliability of system compared with that of general ARQ protocol in which source node retransmits data. In the proposed protocol, the selective retransmission and ARQ message are to be determined by comparing log-likelihood ratio (LLR) computation of received signal from source node with predetermined threshold values. Therefore, this protocol don't waste redundant bandwidth with CRC code and can reduce complexity of receiver without MRC. We verified spectral efficiency and BER performance for the proposed protocol through Monte-Carlo simulation over Rayleigh fading plus AWGN.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 LLR 기반의 협력 ARQ 프로토콜을 제안하였다. 일반적 ARQ 프로토콜에서 오류 검출을 위해서 사용하는 CRC 부호 대신에 순간적인 수신 데이터의 LLR 에러 확률을 이용하여 대역폭의 손실 없이 좋은 성능을 얻을 수 있었다.
= 1 —(十迎로 나타내었다. 본 논문에서는 경로 손실 〃=3, 릴레이 노드의 위치 dsR = 0.6인 경우만을고려하였다⑻〔이 각 노드의 전송전력은 직접 전송의 경우에 요구되는 전송전력 Pt을 기준으로 협력 ARQ 프로토콜이 데이터 n을 목적지 노드로 전송하기 위해 필요한 총 전력이 尸丁을 초과하지 않도록 하기 위하여 각 _노드의 전송 전력은 P_s = P_r = P」2_{로 하였다}. 제안 한 프로토콜은 목적지 노드와 릴레이 노드의 임의의 문턱 값에 의해 전송이 결정되므로 문턱 값이 동일 할 경우 (/亨 = 戸月와 동일하지 않을 경우 (尸尸老尸阳로시뮬레이션을 하였다.
본 논문에서는 데이터의 지연과 시스템의 버퍼 크기를 줄이기 위하여 truncated ARQ 개념'이을 사용하여 재전송 최대 횟수를 1회로 가정하였다 즉, D에서 재전송을 요구하는 동시에 수신 신호를 제거하고 재전송된 신호만으로 데이터를 복구한다.
또한, 복수의 수신 신호를 결합하기 위해 maximum ratio combining (MRC) 기법을 사용하므로 목적지 노드의 복잡도가 증가하였다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 목적지 노드에서 제한적인 피드백을 사용하는 incremental relaying protocol (IRP)을 확장하여 목적지 노드와 릴레이 노드에서 소스 노드로부터 수신한 신호의 LLR 에러 확률과 ARQ 메시지를 이용하는 협력 ARQ 프로토콜을 제안하였다. 소스 노드의 데이터는 다음의 과정에 의해 전송되어질 수 있다.

가설 설정

함께 고려하였다. 본 논문에서는 그림 1과 같은 프로토콜 모델을 사용하였으므로, 세 개의 채널 (S-D, S-R, R-D)은 상호 독립적이라고 가정할 수 있다. |c시2 은 평균이 爲인 지수랜덤함수이며, 사分은 3如으로 d打는 1와 j 사이의 거리, 〃는 경로손실지수를 나타낸다.
이러한 가정은 ARQ에 따른 지연을 줄이므로 실시간 데이터 전송에도 적합하다. 본 논문에서는 주파수 효율을 비교하기 위해 직접 전송 (DT)은 협 력 전송이 0%로 최적의 주파수 효율 T을 나타내고, DFP는 협력 정도 100%로 직접 전송에 비해 1/2의 주파수 효율을 가진다고 가정하였다.
Ps는소스 노드에서의 전송전력이다. 채널을 느린 페이딩이라고 가정하였기 때문에 n 시간 슬롯동안은 변하지 않으므로 이제부터 ne 사용하지 않을 것이다.

제안 방법

본 논문에서 제안한 협력 ARQ 프로토콜은 첫 번째 시간 슬톳에서 목적지 노드는 소스로부터 수신한 신호를 복구하기 전에 수신 신호의 LLR 에러 확률 戸烏 와임의의 문턱 값 尸"을 비교한다. 다음과 같은 조건일 경우 목적지 노드는 ACK 메시지를 소스 노드와 릴레이 노드로 전송한다.
목적지 노드는 소스 노드로부터 수신한 신호만을 이용하여 데이터를 복구한다. 목적지 노드에서 수신 신호의 LLR 에러 확률 값이 문턱값보다 클 경우, 제안하는 프로토콜은 full 다이버시티를 얻을 수 있으며 목적지 노드에서는 MRC로 인한 복잡도를 고려하여 신호들을 결합하지 않는다. 즉, 첫 번째 시간 슬롯에서 소스로부터 수신한 신호는 제거하고 릴레이 노드 또는 소스 노드로부터 수신한 신호만을 복구한다.
목적지 노드와 릴레이 노드에서 수신한 신호를 검증하기 위해 LLR 계산을 사용하였다. 이 방식은 협력 ARQ 프로토콜에서 좋은 채널을 선택할 수 있게 하였으며, 그림 7은 그 결과의 그래프이다.
즉, 첫 번째 시간 슬롯에서 소스로부터 수신한 신호는 제거하고 릴레이 노드 또는 소스 노드로부터 수신한 신호만을 복구한다. 위의 복구 방법은 LLR를 통해 검증한 신호만을 선택적으로 복구하므로 MRC 기법이 필요하지 않음을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 제안한 프로토콜은 목적지 노드로부터 ACK 또는 NACK 메시지를 이용하기 때문에 일반적인 협력 통신 프로토콜과 차이가 있다.
6인 경우만을고려하였다⑻〔이 각 노드의 전송전력은 직접 전송의 경우에 요구되는 전송전력 Pt을 기준으로 협력 ARQ 프로토콜이 데이터 n을 목적지 노드로 전송하기 위해 필요한 총 전력이 尸丁을 초과하지 않도록 하기 위하여 각 _노드의 전송 전력은 P_s = P_r = P」2_{로 하였다. 제안} 한 프로토콜은 목적지 노드와 릴레이 노드의 임의의 문턱 값에 의해 전송이 결정되므로 문턱 값이 동일 할 경우 (/亨 = 戸月와 동일하지 않을 경우 (尸尸老尸阳로시뮬레이션을 하였다. 일반적인 ARQ와 협력 ARQ 프로토콜의 최대 재전송 횟수를 1로 하여 최대 할당되는 시간 슬롯을 기존의 협력통신과 동일하게 하였다.
제안하는 프로토콜은 소스 노드 (S), 릴레이 노드 (R), 목적지 노드 (D)로 그림 1과 같이 구성되어진다. 그림 1에서의 굵은 선은 데이터 전송을 나타내고 점선은 ACKnowledgement (ACK) 또는 Negative ACKno wledgement (NACK) 메시지를 나타낸다.

이론/모형

각 노드 간의 데이터 전송과 ACK/NACK 메시지 전송은 time division duplex (TDD) 방식이며, 각 노드들은 전송과 수신을 동시에 할 수 없으므로 time division multiplexing access (TDMA) 방식으로 D에 데이터를 전송한다. 日은 소스로부터 수신한 신호를 복조하고 Maximum likelihood (ML) 규칙에 의해 데이터를 복구하고 재전송시에는 복구한 데이터를 변조시켜 D로 전송하는 detect-and-forward 방식을 사용하였다.

성능/효과

2. 목적지 노드에서 수신한 신호의 LLR 에러 확률값이 임의의 문턱 값 CP尸)보다 크며, 릴레이 노드에서는 임의의 문턱 값 (尸户)보다 작을 경우, 릴레이 노드는 목적지 노드로 소스 노드로부터 수신한 신호를 재전송하는 협력 전송을 한다. 목적지 노드는 릴레이 노드로부터 수신한 신호만을 이용하여 데이터를 복구한다.
3. 목적지 노드는 2와 동일하며, 릴레이 노드가 임의의 문턱 값 CP冒)보다 클 경우, 소스 노드가 목적지 노드로 데이터를 재전송한다. 목적지 노드는 소스 노드로부터 수신한 신호만을 이용하여 데이터를 복구한다.
이 방식은 협력 ARQ 프로토콜에서 좋은 채널을 선택할 수 있게 하였으며, 그림 7은 그 결과의 그래프이다. MRC 기법을 사용한 경우보다 제안한 방식이 보다 우수한 성능을 가짐을 알 수 있으며, 목적지 노드의 복잡도 또한 증가하지 않는다.
일반적 ARQ 프로토콜에서 오류 검출을 위해서 사용하는 CRC 부호 대신에 순간적인 수신 데이터의 LLR 에러 확률을 이용하여 대역폭의 손실 없이 좋은 성능을 얻을 수 있었다. 또한, 협력 전송에 ARQ 프로토콜을 적용하여 주파수 효율의 증가를 얻을 수 있는 협력 ARQ 프로토콜의 과정을 기술하였으며, Monte Carlo 시뮬레이션 결과를 통해 여러 다른 프로토콜보다 BER 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 협력 ARQ 프로토콜은 목적지 노드에서 NACK 메시지를 전송할 경우 full 다이버시티 차수를 얻을 수 있었으며, 목적지 노드에서 데이터를 결합하지 않아 소스 노드, 릴레이 노드와 동일한 복잡도를 유지할 수 있었다.
또한, 협력 전송에 ARQ 프로토콜을 적용하여 주파수 효율의 증가를 얻을 수 있는 협력 ARQ 프로토콜의 과정을 기술하였으며, Monte Carlo 시뮬레이션 결과를 통해 여러 다른 프로토콜보다 BER 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 협력 ARQ 프로토콜은 목적지 노드에서 NACK 메시지를 전송할 경우 full 다이버시티 차수를 얻을 수 있었으며, 목적지 노드에서 데이터를 결합하지 않아 소스 노드, 릴레이 노드와 동일한 복잡도를 유지할 수 있었다.
일반적 ARQ 프로토콜에서 오류 검출을 위해서 사용하는 CRC 부호 대신에 순간적인 수신 데이터의 LLR 에러 확률을 이용하여 대역폭의 손실 없이 좋은 성능을 얻을 수 있었다. 또한, 협력 전송에 ARQ 프로토콜을 적용하여 주파수 효율의 증가를 얻을 수 있는 협력 ARQ 프로토콜의 과정을 기술하였으며, Monte Carlo 시뮬레이션 결과를 통해 여러 다른 프로토콜보다 BER 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
제안한 협력 ARQ 프로토콜은 일반적인 협력 전송과 마찬가지로 소스 노드와 목적지 노드 사이의 거리를 &刀 = 1로 일반화하였으며 소스 노드와 릴레이 노드 사이에 위치시킨 릴레이 노드와 소스 노드간의 거리는 如女 = 1 —(十迎로 나타내었다. 본 논문에서는 경로 손실 〃=3, 릴레이 노드의 위치 dsR = 0.

참고문헌 (9)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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