[논문]양자화 전송 중계 기반 분산 다중 안테나 통신 시스템

홍비; 최완

doi:10.7840/kics.2014.39a.7.404

양자화 전송 중계 기반 분산 다중 안테나 통신 시스템
Distributed MIMO Systems Based on Quantize-Map-and-Forward (QMF) Relaying 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.39A no.7, 2014년, pp.404 - 412

홍비 (Korea Advanced Institue of Science and Technology (KAIST)) , 최완 (Korea Advanced Institue of Science and Technology (KAIST))

초록
AI-Helper

이동 단말기에 다중 안테나를 장착하는 것은 단말기의 크기와 전력 소모 문제로 현실적인 어려움을 안고 있다. 본 논문에서는 셀룰러 네트워크에서 단일 안테나를 가지는 이동 단말기의 전송 용량 증대를 위해, 다중안테나 통신 (MIMO)을 통해서 얻을 수 있는 선형적인 전송 용량 증대를 달성하는 신호 중계 기반 분산 다중 안테나기법을 제안하고 성능을 분석한다. 분산 다중안테나 시스템을 위한 단말 간 신호 중계에 증폭 후 전달 기법(Amplify-and-Forward)을 사용할 경우에 비해 양자화 후 전달 (Quantize-Map-and-Forward) 기법을 사용하는 경우, 처리율 측면에서 보다 우수한 성능을 달성할 수 있음을 실험을 통해서 보인다. 또한, 선형적 전송 용량 증대폭을 보다 향상시키기 위해 양자화 후 전달 중계 방식을 활용하여 다중접속채널을 구성하는 방법을 제안하고, 이러한 다중접속채널 구성이 가능한 조건을 충족시키기 위한 단말기 선택을 가능하게 하는 후보 이동 단말기 수를 분석하였다. 이러한 분산 다중 안테나 통신 기법은 셀룰러 시스템에서 지역적으로 분리된 클러스터들을 서비스하기 때문에 주파수 재사용을 가능하게 하며, 이로 인해 클러스터의 숫자에 비례하는 전체 셀룰러 용량 증대에 기여한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Exploiting multiple antennas at mobile devices is difficult due to limited size and power. In this paper, a distributed MIMO protocol achieving the capacity of conventinal MIMO systems is proposed and analyzed. For exploiting distributed MIMO features, Quantize-Map-and-Forward (QMF) scheme shows improved performance than Amplify-and-Forward (AF) scheme. Also, the protocol based on multiple access channel (MAC) is proposed to improve the multiplexing gain. We showed that sufficient condition of the number of slave nodes to achieve the gain of a MAC based protocol. Because the base station can support multiple clusters operating in distributed MIMO, the total cellular capacity can be extremely enhanced in proportional to the number of clusters.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

주 노드와 부 노드 간의 역할은 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 본 논문에서는 하향 링크에서 증폭 후 전달(AF, Amplify-and-forward) 및 양자화 후 전달(QMF, Quantize-map-and-forward)방식을 기반으로 한 협력 다중 안테나 통신 기법을 사용하여 데이터 전송 속도를 높이는 방법을 연구하고, 모의 실험을 통해 성능을 분석하고, 적용된 분산 다중 안테나 기술의 이득을 보여준다. 또한 네트워크 용량 증대의 스케일링의 향상을 위해서, 분산 다중 안테나 통신을 위한 동작 절차인 부 노드들에서 주 노드로 정보를 전달 과정에 다중 접속 채널(MAC, Multiple Access Channel)을 구성할 수 있도록 하여 용량 스케일링의 향상을 달성하는 방법을 제시하고, 이를 위한 노드 선택 조건을 분석한다.
본 연구에서는 셀룰러 네트워크에서 신호 중계 전달 기반 분산 다중 안테나 시스템의 성능을 분석하였다. 증폭 후 전달 방식과 양자화 후 전달 방식을 활용하여 부 노드들의 수신 신호를 주 노드에 전달하여 가상 다중 안테나 시스템을 구성하는 방법을 제안하고 기존 방식과 성능 비교를 수행하였다.
본 절에서는 여러 노드들 중 일부 노드를 선택하여 부 노드 역할을 부여함으로써 다중 사용자 접속 채널을 구성할 수 있는 조건을 충족시키는 방법을 살펴본다. 단순화를 위해, 본 논문에서는 2개의 부 노드를 사용하는 경우에 한정한다.

가설 설정

부 노드에서 주 노드로 수신 신호를 전달할 때 여러 가지 신호 중계 방식이 사용될 수 있지만, 본 논문에서는 전통적인 중계 네트워크에서 사용되는 증폭 후 전달 기법과 양자화 후 전달 기법 두 가지 방식을 고려한다. 복호 후 전달(DF, Decode-and-Forward) 기법의 경우는 채널의 조건에 따라 전송을 못하게 되는 경우가 발생하게 되는데, 본 논문에서 고려하는 분산 다중안테나 통신 모델은 확률적인 채널 모델인 가우시안 채널(Gaussian channel)을 가정하고 있기 때문에, 본 논문에서는 배제한다.

제안 방법

1) 첫 번째 단위 시간 동안, 기지국이 주 노드와 부 노드들로 MIMO 송신 기법을 통해 신호를 전송한다.
전체 부 노드의 개수를 3개로 한정하고 각 기법에 대한 성능의 비교를 하였다. 대상 방식은 기존 방식인 직접 MISO 송수신과 증폭 후 전달 방식 및 양자화 후 전달방식 기반 분산 다중 안테나 시스템을 비교하였다. 또한 주 노드로의 신호 중계 전달에 다중 사용자 접속 방식을 도입한 방식 또한 실험 하였다.
본 논문에서는 하향 링크에서 증폭 후 전달(AF, Amplify-and-forward) 및 양자화 후 전달(QMF, Quantize-map-and-forward)방식을 기반으로 한 협력 다중 안테나 통신 기법을 사용하여 데이터 전송 속도를 높이는 방법을 연구하고, 모의 실험을 통해 성능을 분석하고, 적용된 분산 다중 안테나 기술의 이득을 보여준다. 또한 네트워크 용량 증대의 스케일링의 향상을 위해서, 분산 다중 안테나 통신을 위한 동작 절차인 부 노드들에서 주 노드로 정보를 전달 과정에 다중 접속 채널(MAC, Multiple Access Channel)을 구성할 수 있도록 하여 용량 스케일링의 향상을 달성하는 방법을 제시하고, 이를 위한 노드 선택 조건을 분석한다.
증폭 후 전달 방식과 양자화 후 전달 방식을 활용하여 부 노드들의 수신 신호를 주 노드에 전달하여 가상 다중 안테나 시스템을 구성하는 방법을 제안하고 기존 방식과 성능 비교를 수행하였다. 또한 다중화 이득 향상을 위해, 부 노드들의 수신 신호를 주 노드에 전달하는 과정에서 부 노드들로 다중 사용자 접속 채널을 구성하는 방법을 제안하고, 부 노드 선택을 통해 이를 가능하게 하는 조건을 제시하였다.
대상 방식은 기존 방식인 직접 MISO 송수신과 증폭 후 전달 방식 및 양자화 후 전달방식 기반 분산 다중 안테나 시스템을 비교하였다. 또한 주 노드로의 신호 중계 전달에 다중 사용자 접속 방식을 도입한 방식 또한 실험 하였다. 모든 실험 자료의 가로축은 송신 전력인 SNR, 세로축은 전송 용량이다.
본 논문에서 고려하는 분산 안테나 통신 시스템은 그림 1에서 볼 수 있듯이 전체 N 개의 다중 안테나가 장착되어 있는 기지국에서 단일 안테나를 장착 하고 있는 다수의 노드들의 집합인 클러스터로 신호를 보내는 구조로 이루어진다. 그림 1과 같이 3개의 클러스터가 있는 경우에는 기지국이 각 클러스터를 순차적으로 서비스하게 되며, 하나의 클러스터가 기지국에 의해 서비스되는 동안 각 클러스터 내부에서는 분산 다중 안테나 통신 시스템 구성을 위한 부 노드들에서 주 노드로 정보 전달이 이루어진다.
본 논문에서 제안하고 다루는 분산 다중 안테나 통신은 셀룰러 환경에서 통신 신호를 받고자 하는 주 노드(master node)가 기지국으로부터 뿐만 아니라 통신을 돕기 위해 주위에 분산되어 있는 부 노드(slave node)들로부터 정보를 추가적으로 전달 받음으로써 분산 수신기 형태를 구축하고 기존의 다중 안테나 기법의 용량 증대 효과를 모방한다. 주 노드와 부 노드 간의 역할은 시간이 지남에 따라 변할 수 있다.
위와 같은 모델에서 부 노드들이 다양한 신호 전달 기법을 실행했을 때 얻게 되는 전송 용량의 증대를 기존의 다중 안테나 기법과 비교 분석한다. 본 논문이 다루고 있는 분산 다중 안테나 통신 모델에서는 첫 번째 단위 전송시간 동안에 기지국으로부터 주 노드와부 노드들을 포함한 모든 노드가 기지국의 전송신호를 받게 되고 나머지 N - 1 개의 부 노드가 각 단위 시간동안 기지국으로부터 수신한 신호를 주 노드로 전달하는 방식으로 동작을 하게 된다. 기본적으로는 부 노드들이 기지국으로부터 수신한 신호를 그대로 혹은 약간의 변형을 가해서 차례대로 전송하게 된다.
본 장에서는 Monte-Carlo시뮬레이션을 통해 기지국과 주 노드 및 부 노드들을 모델링하고 이에 따른 실제적인 용량을 실험하였다. 기존 방식과 증폭 후 전달 및 양자화 후 전달 방식을 사용한 분산 다중 안테나 시스템의 성능을 시뮬레이션 하였으며, 실제 대부분의 SNR 영역에서 성능의 향상을 확인할 수 있었다.
본 절에서는 분산 다중 안테나 시스템에서의 채널 용량을 제시하여, 기존의 단순 다중 안테나-단일안테나 (MISO) 송수신 기법의 성능과 비교한다. 분산 다중 안테나 통신 구축을 위해서는 증폭 후 전달 기법과 양자화 후 전달 기법을 통한 부 노드들에서 주 노드로 신호 전달을 고려한다.
부 노드들을 활용하지 않고, 기지국과 주 노드간의 직접 신호 송수신에 기반 하는 MISO기법의 성능을 제시한다. MISO기법의 경우, 기지국 다중 안테나를 통해 얻어지는 송신 다이버시티 이득만을 갖게 된다.
부 노드에서 주 노드로 수신 신호를 전달할 때 여러 가지 신호 중계 방식이 사용될 수 있지만, 본 논문에서는 전통적인 중계 네트워크에서 사용되는 증폭 후 전달 기법과 양자화 후 전달 기법 두 가지 방식을 고려한다. 복호 후 전달(DF, Decode-and-Forward) 기법의 경우는 채널의 조건에 따라 전송을 못하게 되는 경우가 발생하게 되는데, 본 논문에서 고려하는 분산 다중안테나 통신 모델은 확률적인 채널 모델인 가우시안 채널(Gaussian channel)을 가정하고 있기 때문에, 본 논문에서는 배제한다.
전체 부 노드의 개수를 3개로 한정하고 각 기법에 대한 성능의 비교를 하였다. 대상 방식은 기존 방식인 직접 MISO 송수신과 증폭 후 전달 방식 및 양자화 후 전달방식 기반 분산 다중 안테나 시스템을 비교하였다.
본 연구에서는 셀룰러 네트워크에서 신호 중계 전달 기반 분산 다중 안테나 시스템의 성능을 분석하였다. 증폭 후 전달 방식과 양자화 후 전달 방식을 활용하여 부 노드들의 수신 신호를 주 노드에 전달하여 가상 다중 안테나 시스템을 구성하는 방법을 제안하고 기존 방식과 성능 비교를 수행하였다. 또한 다중화 이득 향상을 위해, 부 노드들의 수신 신호를 주 노드에 전달하는 과정에서 부 노드들로 다중 사용자 접속 채널을 구성하는 방법을 제안하고, 부 노드 선택을 통해 이를 가능하게 하는 조건을 제시하였다.

데이터처리

위와 같은 모델에서 부 노드들이 다양한 신호 전달 기법을 실행했을 때 얻게 되는 전송 용량의 증대를 기존의 다중 안테나 기법과 비교 분석한다. 본 논문이 다루고 있는 분산 다중 안테나 통신 모델에서는 첫 번째 단위 전송시간 동안에 기지국으로부터 주 노드와부 노드들을 포함한 모든 노드가 기지국의 전송신호를 받게 되고 나머지 N - 1 개의 부 노드가 각 단위 시간동안 기지국으로부터 수신한 신호를 주 노드로 전달하는 방식으로 동작을 하게 된다.

성능/효과

본 장에서는 Monte-Carlo시뮬레이션을 통해 기지국과 주 노드 및 부 노드들을 모델링하고 이에 따른 실제적인 용량을 실험하였다. 기존 방식과 증폭 후 전달 및 양자화 후 전달 방식을 사용한 분산 다중 안테나 시스템의 성능을 시뮬레이션 하였으며, 실제 대부분의 SNR 영역에서 성능의 향상을 확인할 수 있었다. 본 결과는 부 노드 활용을 통한 분산 다중 안테나 시스템의 활용의 실제적인 타당성을 부여한다.
예를 들어, 기지국에서 부 노드로의 채널이 좋은 경우는 양자화 왜곡 정도를 작게 양자화 하여 충분히 원본과 같은 신호를 전송하여 전채 채널 용량을 높일 수 있으며, 반대로 채널 상황이 좋지 않은 경우는 오히려 왜곡 정도를 높여 양자화를 수행하여 채널환경에 강인하게 낮은 전송용량으로 보내는 것이 유리할 수 있다. 양자화 후 전달 방식을 사용하는 분산 다중 안테나 시스템에서도, 증폭 후 전달 방식을 사용하는 분산 다중 안테나 시스템과 유사하게 부 노드들이 주 노드로 신호를 중계 전달하기 위해 소요되는 시간으로 인한 전체 용량이 1/N의 비율로 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 증폭 후 전달 기반의 분산 다중 안테나 시스템과 마찬가지로 여러 클러스터가 존재하는 셀룰러 환경에서는 각 클러스터가 지역적으로 분리되어 순차적으로 분산 처리되므로 주파수 재사용의 이점을 누릴 수 있다.
또한 그림 7에서와 같이 각 노드의 채널간의 상관도 (correlation)가 극심한 경우의 성능 또한 실험하였는데 이미 다중안테나 통신에서 다중화 이득이 채널 상관도로 인해 손실되는 것이 알려져 있다. 위의 실험에서도 마찬가지로 MISO기법을 제외한 증폭 후 전달 및 양자화 후 전달 기반의 분산 다중 안테나 기법이 채널 상관도로 인한 성능 저하가 확인되지만 다중사용자 접속 채널을 구성하여 부 노드 수신 신호를 주 노드에 전달할 경우, 채널간의 상관이 있을 경우에도 기존의 기법에 비해 우수한 성능을 달성할 수 있음이 확인된다.

후속연구

5배 가량 향상시킬 수 있게 된다. 앞서 언급한 바와 같이 다중 사용자 접속 채널을 활용하기 위해서는 다중 사용자 접속 채널을 통해 각 부 노드에서 주 노드로 중계 전달되는 정보량이 기존의 시분할 전송에 의해 주 노드로 중계 전달되는 정보량보다 작아서는 안 되기 때문에, 이를 보장할 수 있는 환경에서만 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차세대 이동 단말기에서 다중 안테나 기술의 적용이 제한되는 이유는 무엇인가?	그러나 차세대 이동 단말기에서의 전력 및 크기 등의 제약 조건으로 인해 다중 안테나 기술 적용이 제한된다. 다중안테나 통신을 위해서는 많은 전력이 필요할 뿐만 아니라 일정 정도의 공간적 분리가 되어 있는 안테나들이 필요한데[2], 이것을 구현하는 것은 현재의 기술로서는 매우 어려운 것으로 여겨진다.
	MIMO의 특징은 무엇인가?	이중 다중 안테나 기술 (MIMO, Multiple Input Multiple Output)[2,3]은 4세대 무선 통신 기술에서 큰 비중을 차지하였을 뿐만 아니라 향후의 차세대 통신 시스템에서도 중요한 역할을 수행할 것으로 여겨진다. 다중 안테나 기술은 무선 통신 환경에서 송신가와 수신기가 각각 단일 안테나를 사용하던 기존 방식과 다르게 다중 안테나를 설치함으로써 빔을 형성하여 공간 다중화 이득을 얻어 제한된 주파수 대역에서도 통신 용량을 선형적으로 증가시키는 것을 가능하게 하였다.
	이동 단말기에 다중 안테나를 장착하는 것은 어떤 문제가 있는가?	이동 단말기에 다중 안테나를 장착하는 것은 단말기의 크기와 전력 소모 문제로 현실적인 어려움을 안고 있다. 본 논문에서는 셀룰러 네트워크에서 단일 안테나를 가지는 이동 단말기의 전송 용량 증대를 위해, 다중안테나 통신 (MIMO)을 통해서 얻을 수 있는 선형적인 전송 용량 증대를 달성하는 신호 중계 기반 분산 다중 안테나기법을 제안하고 성능을 분석한다.

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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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