[논문]다중 사용자 양방향 릴레이 시스템을 위한 자가 간섭 소거 인지 릴레이 송수신 필터 설계

박진배; 왕진수; 김윤희

doi:10.7840/kics.2012.37a.1.64

다중 사용자 양방향 릴레이 시스템을 위한 자가 간섭 소거 인지 릴레이 송수신 필터 설계
SIC-Aware Relay Transceiving Filter Design for Multiuser Two-way Relaying Systems 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.37A no.1, 2012년, pp.64 - 72

박진배 (경희대학교 전자전파공학과) , 왕진수 (경희대학교 전자전파공학과) , 김윤희 (경희대학교 전자전파공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 여러 사용자가 릴레이를 통해 통신 상대방과 데이터를 교환하는 다중 사용자 다중 안테나 양방향 릴레이 시스템을 고려한다. 고려 시스템은 주파수 효율을 높이기 위해 모든 사용자 데이터를 다중 접속 단계와 방송 단계, 두 단계로만 동시에 교환하는 데, 이로 인해 발생하는 자가 간섭과 다중 사용자 간섭을 효과적으로 줄이는 방법이 필요하다. 기존 방식에서는 자가 간섭과 다중 사용자 간섭을 모두 릴레이에서 줄이는 것과는 달리 제안 방식에서는 사용자 노드에 구현 가능한 자가 간섭 소거기를 추가하고 릴레이는 자가 간섭 소거 후의 성능을 고려하여 다중 사용자 간섭을 주로 줄인다. 제안 방식의 성능은 다중접속 단계가 성능을 결정할 때의 심볼 오류율과 획득 가능한 다양성 차수를 통해 분석하고, 다양한 조건 아래 심볼 오류율과 합 전송률을 모의실험으로 얻는다. 성능 평가 결과 제안 방식이 자가 간섭 소거 기능을 분리함으로써 기존 방식보다 복잡도는 증가하지만 심볼 오류율과 합 전송률 성능을 크게 향상시킴을 볼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

We consider multiuser multiple antenna two-way relaying systems in which all users exchange their data with their counterparts with the help of a relay. The systems complete all data exchanges in two time phases called multiple access phase and broadcasting phase for spectral efficiency and therby require an effective scheme reducing self-interference (SI) and multiuser interference (MUI). Different from the conventional scheme suppressing both SI and MUI at the relay, the proposed scheme adopts SI cancelation (SIC) at the users and renders the relay to suppress the MUI mainly considering the SIC output. We analyze the symbol error rate (SER) and the achievable diversity order of the proposed scheme when the multiple access phase is dominant in the performance and obtain simulation results on the SER and the sum rate under various conditions. The results show that the proposed scheme improves the symbol error rate and the sum rate remarkably at the cost of complexity increase.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 [9], [11]에서와 같이 양방향으로 통신하는 사용자들이 여럿인 다중 사용자 환경에서 양방향 릴레이 전송의 성능 향상을 연구한다. 기존 연구에서 볼 수 있듯이 주파수 효율성을 높이기 위해 두단계로만 모든 사용자 데이터를 교환하면 자가 간섭 뿐만 아니라 다중 사용자 간섭이 발생하여 시스템 성능을 제한한다.
본 논문에서는 두 단계로 양방향 통신을 수행하는 다중 사용자 다중 안테나 양방향 릴레이 시스템을 고려하고. 성능 향상을 위한 릴레이 신호 처리 기법을 제안하였다.
이에 본 논문에서는 [11]과 비슷한 다중 사용자 다중 안테나 양방향 릴레이 시스템 모형을 고려하고 성능 향상을 위한 새로운 릴레이 송수신 필터 방식을 제안한다. 이 때 사용자 노드 수신기에 [5]의 자가 간섭 소거 기능을 추가하고 이를 고려한 릴레이 송수신 필터를 제안한다.

가설 설정

본 절에서는 모든 사용자 노드가 M-PSK 변조를 적용하고 사용자 송신 전력보다 릴레이 송신 전력이 매우 큰 경우 제안하는 방식의 심볼 오류율의 근사식을 얻는다. 이 때 분석이 가능하도록 사용자 노드에서의 빔형성 벡터 v_k와 w_k는 균일 벡터로 가정한다. 이 경우는 사용자 노드의 안테나 수가 하나이거나 사용자 노드에 채널상태정보가 없을 때에 해당한다.
이 때 채널은 주파수 비선택적 블록 레일리 페이딩 특성을 띄고 두 단계 동안 채널 변화가 없으며 송수신 채널은 서로 가역적이라고 가정한다. 그에 따라 다중 접속 단계에서 사용자 노드 T_k에서 릴레이 R로의 채널 응답은 행렬 H_k= [h_k,i,j]∈C^{N_R × N_T}로, 방송 단계에서 릴레이 R에서 사용자 노드 T_k로의 채널 응답은 #로 쓸 수 있다.

제안 방법

또한, 기존의 MMSE 기준 릴레이 송수신 필터를 (’MMSE-MMSE‘) 적용할 때의 모의실험 결과를 함께 비교하였으며, 안테나 조합 NT × NR은 2 × 4인 경우와 2 × 6인 경우를 고려하였다.
본 절에서는 모든 사용자 노드가 M-PSK 변조를 적용하고 사용자 송신 전력보다 릴레이 송신 전력이 매우 큰 경우 제안하는 방식의 심볼 오류율의 근사식을 얻는다. 이 때 분석이 가능하도록 사용자 노드에서의 빔형성 벡터 v_k와 w_k는 균일 벡터로 가정한다.
본 절에서는 일부 분석 결과와 모의실험을 이용하여 기존 방식과 제안 방식의 성능을 살펴본다. 시스템 내 사용자 노드 수는 4로 고정하였으며 (2K = 4), 각사용자 노드의 송신 전력 또한 P_k = P_T으로 각 노드에서의 잡음 분산은 σ² = σ_T² = σ_R²으로 동일하게 두었다.
본 논문에서는 두 단계로 양방향 통신을 수행하는 다중 사용자 다중 안테나 양방향 릴레이 시스템을 고려하고. 성능 향상을 위한 릴레이 신호 처리 기법을 제안하였다. 제안 기법은 사용자 노드에 자가 간섭 소거 기능을 추가하여 릴레이 노드에서 주로 다중 사용자 간섭을 줄이게 한다.
이에 본 논문에서는 [11]과 비슷한 다중 사용자 다중 안테나 양방향 릴레이 시스템 모형을 고려하고 성능 향상을 위한 새로운 릴레이 송수신 필터 방식을 제안한다. 이 때 사용자 노드 수신기에 [5]의 자가 간섭 소거 기능을 추가하고 이를 고려한 릴레이 송수신 필터를 제안한다. 제안 방식에 대한 심볼 오류율과 제공 가능한 다양성 차수를 이론적으로 분석하고, 모의실험으로 심볼 오류율과 합 전송률을 도출하여 기존 방식보다 성능을 향상시킴을 보인다.
제안 기법은 사용자 노드에 자가 간섭 소거 기능을 추가하여 릴레이 노드에서 주로 다중 사용자 간섭을 줄이게 한다. 이러한 조건 하에 제안된 릴레이 송수신 필터는 자가 간섭을 무시했을 때 신호대 잡음간섭비를 최대로 하는 최적 결합 수신 필터와 최적 결합 수신 출력을 왜곡 없이 사용자에게 전달하는 ZF 또는 MMSE 송신 필터로 구성된다. 또한 제안 방식에 대해 릴레이 송신 전력이 클 때 심볼 오류율과 제공 가능한 다양성 차수를 유도하였으며 그 결과 동일 조건 모의실험 성능과 비슷함을 볼 수 있다.
성능 향상을 위한 릴레이 신호 처리 기법을 제안하였다. 제안 기법은 사용자 노드에 자가 간섭 소거 기능을 추가하여 릴레이 노드에서 주로 다중 사용자 간섭을 줄이게 한다. 이러한 조건 하에 제안된 릴레이 송수신 필터는 자가 간섭을 무시했을 때 신호대 잡음간섭비를 최대로 하는 최적 결합 수신 필터와 최적 결합 수신 출력을 왜곡 없이 사용자에게 전달하는 ZF 또는 MMSE 송신 필터로 구성된다.
제안된 양방향 릴레이 방식은 기존의 네 단계를 이용하는 대신 두 사용자 노드가 데이터 심볼을 동시에 릴레이에 전송하고, 릴레이가 두 데이터 심볼을 포함하는 수신 신호를 두 사용자 노드에 전달함으로써 두단계로만 데이터를 교환한다. 이 때 사용자 노드가 수신 신호에 포함된 자가 간섭을 소거함으로써 간섭 영향 없이 동시 전송이 가능하고 따라서 주파수 효율을 높일 수 있다 ^[5-6].
제안하는 방식은 자가 간섭 소거 후 신호대 간섭잡음비가 최대가 되는 릴레이에서의 심볼 추정치 #가 사용자 노드에게 그대로 전달될 수 있도록 송신 필터 B 를 선택한다.
제안하는 방식은 자가 간섭 소거 후 신호대 간섭잡음비가 최대가 되는 릴레이에서의 심볼 추정치 #가 사용자 노드에게 그대로 전달될 수 있도록 송신 필터 B 를 선택한다. 즉, V^TH^TB= I_2K가 되는 ZF 기준의 B 또는 비슷한 특성을 가지나 잡음 증가를 줄이는 MMSE 기준의 B를 선택할 것을 제안한다. ZF 기준을 적용할 경우 송신 필터는 식 (8)과 같으며 MMSE 기준에 의한 송신 필터는 다음과 같다.

성능/효과

이 때, 기존 기법에 대한 제안 기법의 성능 이득은 신호대잡음비가 클수록 커지고 안테나 수 작아질수록 커진다. 구체적으로 그림에서 기존 기법 대비 제안 기법의 성능 이득은 안테나 조합이 N_T × N_R = 1 × 4일때 가장 크며 신호대잡음비가 25 dB보다 크면 그 이득이 5 bps/Hz 이상임을 관측할 수 있다.
따라서, 기존 릴레이 노드는 송신 필터와 수신 필터에서 역행렬을 각각 한 번씩 총 두 번 계산하는 데 비해 제안하는 릴레이 노드는 송신 필터에서 한 번, 수신 필터에서 K 번, 총 (K+1) 역행렬을 계산하므로 복잡도가 약 (K + 1)/2배가 증가하게 된다. 그 대신, 제안 기법은 간섭 잡음을 효과적으로 처리하여 다양성 차수를 증가시키고 결국 성능을 향상시킨다.
그림3에서 관측한 결과와 비슷하게 제안 기법이 (MMSE-OC, ZF-OC) 기존 기법보다 (MMSE-MMSE, ZF-ZF) 향상된 다양성 차수로 인해 심볼 오류율이 크게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러나, 사용자 노드에서 균일 빔 형성 벡터 대신 고유 빔형성 벡터를 적용함으로써 그림3보다 성능이 전체적으로 향상되었음을 볼 수 있다. 예를 들어 제안하는 MMSE-OC이 심볼 오류율 10^-5를 얻기 위해 필요한 신호대잡음비가 그림 3에서 약 20 dB였다면 그림 4에서는 약 18 dB로 줄어들었다.
5) 사용자 송수신 빔형성 기법으로 고유 빔형성 기법을 적용할 때 기존 기법과 제안 기법의 성능을 모의실험으로 비교한 것이다. 그림3에서 관측한 결과와 비슷하게 제안 기법이 (MMSE-OC, ZF-OC) 기존 기법보다 (MMSE-MMSE, ZF-ZF) 향상된 다양성 차수로 인해 심볼 오류율이 크게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러나, 사용자 노드에서 균일 빔 형성 벡터 대신 고유 빔형성 벡터를 적용함으로써 그림3보다 성능이 전체적으로 향상되었음을 볼 수 있다.
5이고 사용자 노드마다 고유 빔형성 기법을 적용한다는 조건에서 도출하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 제안 기법과 (MMSE-OC) 기존 기법 (MMSE-MMSE) 모두 신호대잡음비가 증가하거나 안테나 수가 증가할수록 성능이 향상됨을 볼 수 있다. 이 때, 기존 기법에 대한 제안 기법의 성능 이득은 신호대잡음비가 클수록 커지고 안테나 수 작아질수록 커진다.
이 때, 식 (8)의 ZF 기준 또는 MMSE 기준으로 설계된 기존 수신 필터를 적용하면 N_R×N_R 상관 행렬 계산이 한 번만 필요하지만, 제안하는 최적 결합 수신 필터는 식 (15)로 주어지는 N_R ×N_R상관 행렬에 대한 역행렬을 각 사용자 쌍마다 계산하여야 한다. 따라서, 기존 릴레이 노드는 송신 필터와 수신 필터에서 역행렬을 각각 한 번씩 총 두 번 계산하는 데 비해 제안하는 릴레이 노드는 송신 필터에서 한 번, 수신 필터에서 K 번, 총 (K+1) 역행렬을 계산하므로 복잡도가 약 (K + 1)/2배가 증가하게 된다. 그 대신, 제안 기법은 간섭 잡음을 효과적으로 처리하여 다양성 차수를 증가시키고 결국 성능을 향상시킨다.
이러한 조건 하에 제안된 릴레이 송수신 필터는 자가 간섭을 무시했을 때 신호대 잡음간섭비를 최대로 하는 최적 결합 수신 필터와 최적 결합 수신 출력을 왜곡 없이 사용자에게 전달하는 ZF 또는 MMSE 송신 필터로 구성된다. 또한 제안 방식에 대해 릴레이 송신 전력이 클 때 심볼 오류율과 제공 가능한 다양성 차수를 유도하였으며 그 결과 동일 조건 모의실험 성능과 비슷함을 볼 수 있다. 또한 제안 방식이 기존 방식보다 복잡도를 증가시키지만 다양성 차수를 증가시켜 심볼 오류율을 크게 줄이고합 전송률을 향상시킴을 볼 수 있다.
또한 제안 방식에 대해 릴레이 송신 전력이 클 때 심볼 오류율과 제공 가능한 다양성 차수를 유도하였으며 그 결과 동일 조건 모의실험 성능과 비슷함을 볼 수 있다. 또한 제안 방식이 기존 방식보다 복잡도를 증가시키지만 다양성 차수를 증가시켜 심볼 오류율을 크게 줄이고합 전송률을 향상시킴을 볼 수 있다.
이 때 사용자 노드 수신기에 [5]의 자가 간섭 소거 기능을 추가하고 이를 고려한 릴레이 송수신 필터를 제안한다. 제안 방식에 대한 심볼 오류율과 제공 가능한 다양성 차수를 이론적으로 분석하고, 모의실험으로 심볼 오류율과 합 전송률을 도출하여 기존 방식보다 성능을 향상시킴을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	릴레이 통신은 어떤 방식인가?	릴레이 통신은 데이터 전송 커버리지를 넓히고 데이터 전송의 신뢰도를 높이는 방식으로 큰 주목을 받고 있다 [1=3] . 그러나, 릴레이를 통한 신호 전송은 반이중 모드로 동작하는 실제 통신 기기의 특성으로 인하여 한 사용자 노드가 다른 사용자 노드에 데이터를 보내는 데 최소 두 시간 단계가 필요로 하고, 따라서 주파수 효율이 나빠지는 단점이 있다.
	릴레이를 통한 신호 전송의 단점은?	릴레이 통신은 데이터 전송 커버리지를 넓히고 데이터 전송의 신뢰도를 높이는 방식으로 큰 주목을 받고 있다 [1=3] . 그러나, 릴레이를 통한 신호 전송은 반이중 모드로 동작하는 실제 통신 기기의 특성으로 인하여 한 사용자 노드가 다른 사용자 노드에 데이터를 보내는 데 최소 두 시간 단계가 필요로 하고, 따라서 주파수 효율이 나빠지는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하는 방법으로 최근 두 사용자 노드가 데이터를 교환하는 양방향 통신에서 주파수 효율적인 릴레이 방식이 제안되었다[4-5].
	부호 분할 다중 접속을 적용할 경우 단점은?	이러한 간섭 영향을 줄이는 방법으로 부호 분할 다중 접속을 적용하거나[9] 릴레이에서 다중 안테나 송수신 필터를 적용할 수 있다[11]. 그러나, 전자의 경우 시스템 대역폭을 확장시키기 때문에 주파수 효율을 높이는 데 한계가 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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