[논문]다중 안테나를 이용하는 다중 홉 시스템의 안테나와 중계기 선택 기법

김렴; 공형윤

doi:10.7236/jiwit.2011.11.2.029

초록
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본 논문에서는 각 홉에서 다중 안테나를 가지는 노드 간 채널 환경을 고려하여 가장 좋은 성능을 가지는 하나의 안테나와 하나의 중계기를 동시에 선택하는 시스템을 제안하며, 제안된 시스템의 성능을 분석한다. 다중 채널을 통해 다수의 수신 신호를 받아 MRC(Maximal Ratio Combining) 기법을 이용하여 다이버시티를 얻는 일반적인 시스템은 상대적으로 열악한 채널을 통과하는 신호 또한 수신하며, 이는 곧 시스템의 성능 저하로 이어지는 결과를 얻는다. 제안하는 시스템은 송신단-중계기, 중계기-수신단 간의 모든 채널 환경을 고려하여 가장 좋은 채널을 통해서만 데이터를 전송함으로써 열악한 채널을 통과하는 신호의 수신을 차단함으로써 성능을 향상시킨다. 따라서 가장 좋은 채널상의 안테나와 중계기를 동시에 선택하는 과정을 거치며, 이를 구현하기 위해 단일 중계기만을 선택하고 각 홉에서는 단일 안테나만을 이용할 수 있는 알고리즘을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose antenna and relay selection system by considering channel environment between nodes. Each node has multiple antennas in each hop. And, we analyze the performance of proposed system. A General MIMO system receives signals through multiple channels and obtains diversity gain....

In this paper, we propose antenna and relay selection system by considering channel environment between nodes. Each node has multiple antennas in each hop. And, we analyze the performance of proposed system. A General MIMO system receives signals through multiple channels and obtains diversity gain. But MIMO system causes performance degradation due to poor received signals. The proposed system consider transmitters-relays channels, relays-receivers channels and select a best channel. This channel selection prevents performance degradation and increase total system's performance. Therefore, we must select best antennas and a best relay, simultaneously.

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문제 정의

본 논문에서는 다중 안테나를 가지는 각 노드가 다중홉 전송을 함에 있어서 채널 환경을 고려하여 보다 에너지 효율적이고, 나은 성능을 얻을 수 있는 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 1-M-1 구성에서 최소 M이 2이상일 때 적용이 가능하며, 1-1-1의 경우 성능 향상을 위해 간단한 안테나 선택기법을 적용할 수 있다.

가설 설정

한 홉에서 총 전송전력(P)을 1이라고 가정하며, 이 때 N개의 송신 안테나를 사용하는 경우 이를 안테나 개수로 나누어 사용한다고 가정한다. # 는 중계기에서 송신단으로부터 수신하여 복호한 신호를 나타내고 n_r ,n_d는 중계기와 수신단에서 발생하는 Addictive White Gaussian Noise(AWGN)이며, i = 1, 2, 3, 4이다.
1-M-1 모델은 1-1-1 모델의 확장 개념이며, 동작 방식은 1-1-1 모델과 같다. 1-1-1 모델과 마찬가지로 각 홉에서 전송전력은 송신 안테나의 개수로 나누어 전송한다고 가정한다. 각 중계기에서는 다중 수신신호를 MRC 기법을 이용하여 얻고, DF 프로토콜을 이용하여 수신단으로 재전송한다.

제안 방법

본 논문에서는, MIMO 시스템에 중계기 선택 기법을 적용하여 앞서 언급한 각 기술의 이점을 얻는다. 이와 더불어 송신단 및 중계기가 가지는 다중 안테나에 전송 전력을 공평하게 분산하여 전송하던 기존의 방식이 아닌, 다중 안테나 중 가장 좋은 채널 환경을 가지는 전송 안테나만이 모든 전송 전력을 이용하여 신호를 전송함으로써 보다 향상된 성능을 보이는 시스템을 제안한다.
CSI를 바탕으로 다음 노드로의 전송 시 가장 좋은 채널을 확보한 “Best" 안테나에 모든 전송 전력이 할당되어, 선택된 안테나만이 신호를 송신한다.
먼저 중계기에서 수신한 r₁, r₂, r₃, r₄ 신호를 다중 수신신호 결합기법 중 최대 비 결합(MRC : Maximal Ratio Combining) 기법^[6]을 이용하여 신호를 결합하고, 복호한 신호를 수신단으로 전송한다. 수신단에서도 마찬가지로 수신한 y₁, y₂, y₃, y₄를 MRC 기법을 이용하여 신호를 결합한다.
1-1-1 모델과 마찬가지로 각 홉에서 전송전력은 송신 안테나의 개수로 나누어 전송한다고 가정한다. 각 중계기에서는 다중 수신신호를 MRC 기법을 이용하여 얻고, DF 프로토콜을 이용하여 수신단으로 재전송한다. 수신단 또한 수신하는 다중 신호에 대해 MRC 기법을 이용한다.
제안하는 모델에서는 각 홉에서 신호 전송 시에 각 채널 상태 정보(CSI : Channel State Information)를 이용한다. CSI를 바탕으로 다음 노드로의 전송 시 가장 좋은 채널을 확보한 “Best" 안테나에 모든 전송 전력이 할당되어, 선택된 안테나만이 신호를 송신한다.
다음으로 1-1-1과 1-2-1의 일반적인 시스템에 각 홉에서 할당되는 전송전력을 2배로 늘리고 성능을 비교한다. 이때의 성능 비교는 1-1-1의 경우는 그림 7, 1-2-1의 경우는 그림 8과 같다.

이론/모형

본 논문에서는, MIMO 시스템에 중계기 선택 기법을 적용하여 앞서 언급한 각 기술의 이점을 얻는다. 이와 더불어 송신단 및 중계기가 가지는 다중 안테나에 전송 전력을 공평하게 분산하여 전송하던 기존의 방식이 아닌, 다중 안테나 중 가장 좋은 채널 환경을 가지는 전송 안테나만이 모든 전송 전력을 이용하여 신호를 전송함으로써 보다 향상된 성능을 보이는 시스템을 제안한다.
각 중계기에서는 다중 수신신호를 MRC 기법을 이용하여 얻고, DF 프로토콜을 이용하여 수신단으로 재전송한다. 수신단 또한 수신하는 다중 신호에 대해 MRC 기법을 이용한다.

성능/효과

따라서 일반적인 시스템의 경우 첫 홉에서 각 송신 안테나에 할당되는 전송전력은 1/2이며, 두 번째 홉에서는 각 송신안테나에 1/4이 할당된다. 일반적인 시스템과 안테나와 중계기 선택기법이 적용된 제안된 시스템의 성능은 그림 6과 같으며, 일반적인 시스템보다 제안된 시스템이 보다 나은 성능을 보인다. 제안된 안테나와 중계기 선택 기법이 적용된 시스템은 각 홉에서 신호를 수신할 때 1-1-1 모델의 안테나 선택기법만이 적용된 시스템과 같은 개수의 신호를 수신하지만, 채널 선택의 폭이 넓어지는 이점을 가질 수 있다.
일반적인 시스템과 안테나와 중계기 선택기법이 적용된 제안된 시스템의 성능은 그림 6과 같으며, 일반적인 시스템보다 제안된 시스템이 보다 나은 성능을 보인다. 제안된 안테나와 중계기 선택 기법이 적용된 시스템은 각 홉에서 신호를 수신할 때 1-1-1 모델의 안테나 선택기법만이 적용된 시스템과 같은 개수의 신호를 수신하지만, 채널 선택의 폭이 넓어지는 이점을 가질 수 있다. 이는 중계기가 늘어날수록 보다 나은 성능을 기대할 수 있음을 나타낸다고 할 수 있다.
하지만 1-2-1 모델에서는 제안된 시스템이 보다 나은 성능을 보임을 알 수 있다. 이는 제안된 시스템이 전송전력 측면에서 매우 효율적임을 보여준다.
본 논문에서는 다중 안테나를 가지는 각 노드가 다중홉 전송을 함에 있어서 채널 환경을 고려하여 보다 에너지 효율적이고, 나은 성능을 얻을 수 있는 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 1-M-1 구성에서 최소 M이 2이상일 때 적용이 가능하며, 1-1-1의 경우 성능 향상을 위해 간단한 안테나 선택기법을 적용할 수 있다. 성능 분석 결과, 제안한 시스템이 모든 채널을 통해 수신 신호를 수신하여 성능을 향상시키는 시스템보다 낮은 전송전력으로 나은 성능을 보임을 알 수 있었다.
제안된 시스템은 1-M-1 구성에서 최소 M이 2이상일 때 적용이 가능하며, 1-1-1의 경우 성능 향상을 위해 간단한 안테나 선택기법을 적용할 수 있다. 성능 분석 결과, 제안한 시스템이 모든 채널을 통해 수신 신호를 수신하여 성능을 향상시키는 시스템보다 낮은 전송전력으로 나은 성능을 보임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MIMO 시스템은 무엇인가?	특히 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output) 시스템은 다수의 송․수신 안테나를 이용하여 공간 다이버시티를 얻음과 동시에 향상된 채널 용량을 제공하고, 데이터 전송률을 획기적으로 높일 수 있는 기술이다.[3] 여기서 다이버시티는 궁극적으로 보다 안정적이고, 신뢰성있는 무선통신 환경을 구축하는 기반이 된다.
	MIMO 시스템에서 다이버시티는 어떤 환경을 구축하는 기반이 되나?	특히 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output) 시스템은 다수의 송․수신 안테나를 이용하여 공간 다이버시티를 얻음과 동시에 향상된 채널 용량을 제공하고, 데이터 전송률을 획기적으로 높일 수 있는 기술이다.[3] 여기서 다이버시티는 궁극적으로 보다 안정적이고, 신뢰성있는 무선통신 환경을 구축하는 기반이 된다.
	다이버시티를 얻는 방법은 무엇이 있나?	다이버시티를 얻는 방법으로는 크게 시간 다이버시티, 주파수 다이버시티, 공간 다이버시티 등이 있다. 이 중에서 공간 다이버시티는 송신기나 수신기, 또는 양쪽 모두에 여러 개의 안테나를 사용하여 다이버시티를 얻는 방법이다.

참고문헌 (6)

김진영, "초고속 무선 통신을 위한 MIMO/OFDM 시스템", 인터비젼, 37-41쪽, 2008년 8월
M. Abrar, X. Gui, A. Punchinewa, S. Khan, M. Iqbal, "Cooperative Diversity versus Antenna Diversity in Wireless Communication Systems", New Trends in Information Science and Service Science(NISS), 2010 4th International Conference on, pp.260-263, Gyeongju, Korea, May. 2010.
G. J. Foschini, "On the limits of wireless communication in a fading environment when using multiple antennas", Wireless Personal Commun., vol.. 6, no. 3, pp.311-335, 1998.
A. Bletsas, A. Khisti, D. P. Reed, and A. Lippman, "A simple cooperative diversity method based on network path selection", IEEE J. Selet. Area Commun., vol. 24, no. 3, pp.659-672, Mar, 2006.

상세보기
Qing F. Zhou, Francis C. M. Lau, "Asymptotic Analysis of Opportunistic Relaying Protocols", IEEE Transactions on Wireless Commun., vol. 8, no. 8, Aug, 2009.
Thomas Eng, Ning Kong, "Comparison of Diversity Combining Techniques for Rayleigh-Fading Channels", IEEE Transaction on Commun., vol. 44, no. 9, Sep, 1996.

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