[논문]중계기 시스템에서 비트 오류율 성능 향상을 위한 중계기 선택 및 전송 모드 결정 방법

서종필; 이명훈; 이윤주; 권동승; 정재학

doi:10.7840/kics.2011.36a.12.941

[국내논문] 중계기 시스템에서 비트 오류율 성능 향상을 위한 중계기 선택 및 전송 모드 결정 방법
A Relay and Transmission Mode Selection Scheme to Enhance the Bit Error Rate Performance in Relay Systems 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.36 no.12A, 2011년, pp.941 - 949

서종필 (인하대학교 IT 공과대학 전자공학 전자공학과) , 이명훈 (한국전자통신연구원) , 이윤주 (한국전자통신연구원) , 권동승 (한국전자통신연구원) , 정재학 (인하대학교 IT 공과대학 전자공학 전자공학과)

초록
AI-Helper

선택적 협력 공간 다중화 기술은 단일 안테나를 갖는 소스 노드, 다수의 중계기와 다중 안테나를 갖는 도착 노드가 있는 환경에서 공간 다중화 이득과 추가적인 선택적 다이버시티를 동시에 얻을 수 있다. 그러나 이 방법은 특정 중계기에서 전달된 심볼이 경로 손실에 의해 손실될 수 있는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하고 비트 오류율 성능을 향상시키기 위해 전체 중계기 중에서 고정된 수의 중계기를 선택하는 대신 주어진 데이터 전송률 이상의 채널 용량을 갖는 중계기를 기회적으로 선택하고 협력 단계에서 신호를 전달할 때 선택된 중계기와 수신단 사이의 채널을 고려하여 공간 다중화 전송 모드와 공간 다이버시티 전송 모드 중 하나를 결정하는 방법을 제안한다. 제안된 방법은 기존의 방법에 비해 추가적인 공간 다이버시티 이득을 얻음으로써 낮은 SNR 영역에서 약 1.5~2dB의 이득을 얻을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In a cooperative communication system with a source node and multiple relays equipping single antenna and a destination node equipping multiple antennas, the selective cooperative spatial multiplexing scheme can obtain spatial multiplexing gain and additional selection diversity gain. But it can degrade a bit error rate performance because some received symbols forwarded from particular relays may be lost by attenuation due to path-loss. We propose a relay and transmission mode selection scheme which selects minimum number of multiple relays having the channel capacity larger than a given data rate and transmission mode which switches spatial multiplexing and spatial diversity mode in cooperation phase to enhance the bit error rate performance. The proposed scheme achieves 1.5~2dB gain at the low SNR range compared with the conventional scheme by obtaining additional spatial diversity gain.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 주어진 데이터 전송률을 만족하는 중계기를 선택하고 주어진 채널 상황에 적합한 중계기의 전송 모드 결정 방법을 제안한다. 제안된 방법은 첫 번째로 각 중계기와 도착 노드 사이의 채널 이득을 고려하여 주어진 전송률을 만족하는 채널 용량을 갖는 중계기를 기회적으로 선택한다.
있다. 본 논문에서는 전체 〃개의 중계기 중 도착 노드의 수신 안테나 수 M에 상관없이 주어진 전송률을 만족하는 중계기를 기회적으로 선택하고 비트 오류율 성능을 향상시키기 위해 선택된 중계기의 수와 채널에 따라 전송 모드를 결정하는 방법을 제안한다.
따라서 중계기와 도착 노드 사이의 거리에 따라 주어진 전송률을 만족하는 최소한의 중계기의 수가 유동적으로 변하게 된다. 본 절에서는 각 중계기와 도착 노드 사이의 경로 손실을 고려하여 주어진 전송률을 만족하는 최소한의 중계기를 선택하는 방법을 제안한다.
본 절에서는 기회적으로 선택된 중계기 후보군 중에서 주어진 전송률을 만족하는 최소한의 중계기를 선택하는 방법을 제안한다. 도착 노드는 소스 노드의 전송 신호를 복호 가능한 중계기 정보와 채널 정보를 이용하여 가능한 모든 경우의 수에 대한 채널 용량을 계산한다.
이때에는 선택된 중계기의 수만큼 공간 다중화 이득을 얻을 수 없기 때문에 추가적인 이득을 얻을 수 있는 방법이 필요하다. 본 절에서는 선택된 중계기 수에 따라 각각 다른 전송 모드 결정 방법에 대해 설명한다.
본 논문에서는 다중 중계기가 존재하는 환경에서 선택적 협력 다중화 기법에서 발생할 수 있는 특정 중계기에 의해 전달 된 신호의 경로 손실로 인해 비트 오류율 성능이 저하되는 단점을 보완하기 위해 주어진 데이터 전송률을 만족하는 중계기를 선택하고 주어진 채널 상황에 적합한 중계기의 전송 모드 결정 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 각 중계기와 도착 노드 사이의 채널 이득을 고려하여 주어진 전송률을 만족하는 채널 용량을 갖는 중계기를 기회적으로 선택하고 선택된 중계기의 수와 채널을 이용하여 공간 다중화 기법과 공간 다이버시티 기법 중 낮은 비트 오류율 성능을 갖는 전송 방법으로 결정하는 방법이다.

가설 설정

따라서 각 전송 심볼 또는 프레임은 소스 노드에서 중계 노드로 전송하는 청취단계와 중계기에서 도착 노드로 전달하는 협력 단계로 나뉘어 전송된다. 소스 노드에서는 어떠한 채널 정보(CSI: Channel State Information)도 알고 있지 않고 도착 노드에서는 중계기-도착 노드의 채널 정보를 완벽하게 알고 있다고 가정한다.
본 논문에서는 모두 동일한 전력으로 전송한다고 가정한다 이때 도착 노드에서 수신된 신호 l 는 다음과 같다.
X는 각 중계기에서 복호 후 전달하는 신호를 나타내고 现I세2] = 戸이다 ⑰는 도착 노드에서의 부가 가우시안 잡음으로 功曲醐 = 旅耳, 이며 여기서 I&은 NrXNr 단위행렬을 의미한다. 소스 노드에서는 어떠한 채널 정보도 알고 있지 않고 도착 노드에서는 중계기-도착 노드의 채널 정보를 완벽하게 알고 있다고 가정한다. 그리고 소스 노드에서 전송하는 심볼의 전송률 R 을 알고 있다고 가정한다.
소스 노드에서는 어떠한 채널 정보도 알고 있지 않고 도착 노드에서는 중계기-도착 노드의 채널 정보를 완벽하게 알고 있다고 가정한다. 그리고 소스 노드에서 전송하는 심볼의 전송률 R 을 알고 있다고 가정한다.
소스 노드와 중계기 그리고 도착 노드 사이의 심 볼 구간 당 전송률은 각각 R로 고정되어있다고 가정한다. 청취 단계에서 소스 노드는 한 심볼 주기 동안 송신 심볼을 전송한다.
채널은 단일 경로 레일리 페이딩 채널(Sin이e path Rayleigh fading channel)이며 채널은 한 심볼 구간 또는 프레임 동안 변하지 않는 블록 페이딩(block fa血g/을 가정하였다. 각 심볼 구간 당 전송률은 R로 고정하였고 변조 방법은 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)을 사용하였다.
전체 중계기의 수가 각각 4, 6, 8개가 존재하고 도착 노드의 수신 안테나 수가 2개인 환경을 가정하였다 그리고 모든 중계기는 소스 노드의 전송 심볼을 복호 가능하다고 가정하였고 도착 노드에서 각 중계기의 전송 심볼에 의한 평균 SNRe 모드 같다고 가정하였다. 각 심볼 구간 당 전송률은 K = 4 bps/Hz이고소스 노드에서는 심볼을 16QAM으로 변조하여 전송하였다.
각 심볼 구간 당 전송률은 K = 4 bps/Hz이고소스 노드에서는 심볼을 16QAM으로 변조하여 전송하였다. 각 중계기에서는 전송 모드에 따라 16QAM 또는 4QAM으로 복호된 심볼을 전달하였고 도착 노드에서의 채널 추정 오차는 없다고 가정하였다. 수신된 신호 검출기는 ML(Maximum Likelihood) 검출기를 사용하였다
Zig와 11*는 각각 소스 노드-중계기의 채널 계수 중계기-도착 노드의 채널 벡터이고 주파수 비 선택적 레일리 페이딩 채널(Rayleigh flat fading channel)이다. 이들 사이의 링크는 경로 손실 또는 지형에 의해 채널 이득이 작아서 소스 노드의 전송 심볼 복호가 불가능하다고 가정한다. 각 중계기는 복호 후 전달 모드로 동작한다.

제안 방법

제안한다. 제안된 방법은 첫 번째로 각 중계기와 도착 노드 사이의 채널 이득을 고려하여 주어진 전송률을 만족하는 채널 용량을 갖는 중계기를 기회적으로 선택한다. 두 번째로 선택된 중계기의 수와 채널을 이용하여 공간 다중화 기법과 공간 다이버시티 기법 중 낮은 비트 오류율 성능을 갖는 전송 방법을 결정한다.
제안된 방법은 첫 번째로 각 중계기와 도착 노드 사이의 채널 이득을 고려하여 주어진 전송률을 만족하는 채널 용량을 갖는 중계기를 기회적으로 선택한다. 두 번째로 선택된 중계기의 수와 채널을 이용하여 공간 다중화 기법과 공간 다이버시티 기법 중 낮은 비트 오류율 성능을 갖는 전송 방법을 결정한다.
본 장에서는 기존의 선택적 협력 공간 다중화 기법의 단점을 보완하기 위해 채널 상황에 따라 주어진 전송률을 만족하는 중계기를 기회적으로 선택하고 협력단계에서 공간 다중화 기법과 공간 다이버시티 기법 중 낮은 비트 오류율 성능을 갖는 전송 모드 결정 방법을 제안한다.
앞에서 제안된 방법은 중계기의 위치와 채널 상황에 따라 주어진 전송률을 만족하는 중계기를 적응적으로 선택한다. 따라서 선택된 중계기의 수 tr(V*)는 각각의 ||蠕如과 SNR에 따라서 유동적으로 변화하게 된다.
이득을 얻을 수 있다. 그러나 각 중계기에 의한 R爲/tHVg2 값에 따라 해당 중계기에서 전달된 신호의 비트 오류율 성능이 낮아진다 이를 보완하기 위해 공간 다중화 모드와 송신 다이버시티 모드를 스위칭하여 전송한다. 이 방법은 [10]과 [11]에서 연구되었다.
본 장에서는 제안된 중계기 선택 방법을 적용했을 때 평균 비트 오류율 성능을 확인하고 기존의 다중 중계기 선택 방법의 비교를 위해 전산 모의 실험을 수행하였다.
SNR이 10dB 이상일 때 기존의 다중 중계기 선택 방법에 비해 제안된 방법이 얻는 이득은 점차 증가한다. 제안된 방법은 채널 상황에 따라 선택되는 중계기의 수와 전송 방법이 달라지므로 다이버시티 오더는 沮과 7切阪사이의값을 갖는다. 한편 기회적 중계 기법은 MNr의 다이버시티 오더를 갖기 때문에 20dB 이상의 매우 높은 SNR 영역에서는 제안된 방법과 거의 동일한 비트 오류율 성능을 갖는다
제안하였다. 제안된 방법은 각 중계기와 도착 노드 사이의 채널 이득을 고려하여 주어진 전송률을 만족하는 채널 용량을 갖는 중계기를 기회적으로 선택하고 선택된 중계기의 수와 채널을 이용하여 공간 다중화 기법과 공간 다이버시티 기법 중 낮은 비트 오류율 성능을 갖는 전송 방법으로 결정하는 방법이다. SNR과 채널 상황에 따라 선택된 중계기 수와 전송 방법을 달리함으로써 기존의 방법에 비해 전체 시스템 측면에서의 복잡도가 낮아지고 동시에 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있다.

대상 데이터

본 논문에서 고려하고 있는 중계기 환경은 그림 1 과 같이 단일 송신 안테나를 갖는 소스 노드, 疋 개의 다중 수신 안테나를 갖는 도착 노드, 단일 송수신 안테나를 갖는 〃개의 중계기로 구성된 시스템이다. 소스 노드와 도착 노드 사이의 거리는 衫0이다.

데이터처리

각 중계기에서는 전송 모드에 따라 16QAM 또는 4QAM으로 복호된 심볼을 전달하였고 도착 노드에서의 채널 추정 오차는 없다고 가정하였다. 수신된 신호 검출기는 ML(Maximum Likelihood) 검출기를 사용하였다

이론/모형

이러한 공간 다중화와 공간 다이버시티 기법의 선택 방법은 주어진 MIM0 채널환경에서 최소의 비트 오류율 성능을 갖도록 한다. 중계기-도착 노드 사이의 유효 채널 HV* 의 특이값(singular value)을 이용하여 다음과 같은 조건을 만족할 때 공간 다중화 기법으로 전송한다.
채널은 단일 경로 레일리 페이딩 채널(Sin이e path Rayleigh fading channel)이며 채널은 한 심볼 구간 또는 프레임 동안 변하지 않는 블록 페이딩(block fa血g/을 가정하였다. 각 심볼 구간 당 전송률은 R로 고정하였고 변조 방법은 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)을 사용하였다. 그리고 채널 부호화 기법은 적용하지 않았다.

성능/효과

공간 다중화 전송 모드로 결정되었을 때 각 중계기의 전송 모드는 해당 중계기와 도착 노드 사이의 阻脸μ에 따라 결정된다. 경로 손실에 의해 상대적으로 도착 노드와 가까이 위치한 중계기에서 전달된 심볼은 높은 SNR을 갖고 멀리 위치한 중계기에서 전달된 심볼은 상대적으로 낮은 SNR을 갖기 때문에 멀리 위치한 중계기들을 그룹(group)화 하고 STBC 부호화 皿13, 16]를 함으로써 공간 다중화 이득에 추가적인 공간 다이버시티 이득을 얻음으로써 기존의 방법보다 향상된 비트 오류율 성능을 기대할 수 있다
기존의 방법은 다이버시티 오더가 M/Nr X2&, = A/이지만기회적 중계 기법과 같이 하나의 중계기만을 선택하는 경우 다이버시티 오더는 "이다. SNR이 10dB 이상일 때 기존의 다중 중계기 선택 방법에 비해 제안된 방법이 얻는 이득은 점차 증가한다. 제안된 방법은 채널 상황에 따라 선택되는 중계기의 수와 전송 방법이 달라지므로 다이버시티 오더는 沮과 7切阪사이의값을 갖는다.
제안된 방법은 각 중계기와 도착 노드 사이의 채널 이득을 고려하여 주어진 전송률을 만족하는 채널 용량을 갖는 중계기를 기회적으로 선택하고 선택된 중계기의 수와 채널을 이용하여 공간 다중화 기법과 공간 다이버시티 기법 중 낮은 비트 오류율 성능을 갖는 전송 방법으로 결정하는 방법이다. SNR과 채널 상황에 따라 선택된 중계기 수와 전송 방법을 달리함으로써 기존의 방법에 비해 전체 시스템 측면에서의 복잡도가 낮아지고 동시에 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있다. 전산 모의 실험을 통해 제안된 방법의 평균 비트 오류율이 기존의 방법에 비해 향상되었음을 확인하였다.
SNR과 채널 상황에 따라 선택된 중계기 수와 전송 방법을 달리함으로써 기존의 방법에 비해 전체 시스템 측면에서의 복잡도가 낮아지고 동시에 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있다. 전산 모의 실험을 통해 제안된 방법의 평균 비트 오류율이 기존의 방법에 비해 향상되었음을 확인하였다.

후속연구

성능 측면에서 다음과 같은 문제점이 있다. 첫 번째로, 전체 시스템 측면에서 가급적 적은 수의 중계기를 선택할 필요가. 있다.

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