[논문]랜덤한 릴레이를 갖는 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템의 릴레이 선택법에 따른 성능비교

김남수

doi:10.7236/jiibc.2016.16.3.65

랜덤한 릴레이를 갖는 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템의 릴레이 선택법에 따른 성능비교
Performance Comparison of Relay Selection Methods for Incremental Cooperative Relaying Systems with Spatially Random Relay 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.16 no.3, 2016년, pp.65 - 71

김남수 (청주대학교 전자공학과)

초록
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무선 페이딩 채널에서 시스템의 성능 저하를 효과적으로 개선하기 위하여 협동 릴레이 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그동안의 연구는 고정된 릴레이를 가정하였는데, 최근에는 실제 이동통신 환경을 고려하여 공간적으로 랜덤하게 분포된 릴레이를 갖는 협동 릴레이 시스템의 연구가 시작되고 있다. 특히 통신 자원의 효율이 높은 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템에서는 릴레이를 선택하는 방법에 따라서 시스템의 성능이 변화하는데, 이에 대한 비교 연구는 발표되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 최대 SNR 선택법과 최대-최소 SNR 선택법을 대상으로 최대비 결합을 사용한 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템의 성능을 유도하였고, 송신전력이 소스와 릴레이로 배분되었을 때의 오수신율을 비교하였다. 본 논문의 해석적 결과는 이동통신 시스템에 기회전송 증가 릴레이 시스템을 도입하였을 경우 릴레이를 선택하고 송신 전력을 배분하는데 이론적 근거로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cooperative relaying systems have been studied actively to improve the system performance effectively in wireless fading channels. Most of the cooperative relay studies are assumed fixed relay, recently the performance analysis of the cooperative relaying systems with spatially random relays considering the practical mobile environment are introduced. However the comparative studies for relay selection methods of incremental cooperative relay systems, the performance of which is influenced by the selection methods, have not been studied. Therefore we derive the performance of the system which has MRC(Maximal-ratio combining) with Max SNR(signal-to-noise ratio) selection or Max-min SNR selection, respectively. And the outage performances of the system with Max or Max-min selection method are compared for different transmit power allocation to the source and to the relays. The analytical results serve as useful tools for relay selection and power allocation to transmit nodes for opportunistic incremental relaying systems.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

한편 지금까지 협동 릴레이 시스템의 성능을 분석할 때에는 릴레이의 위치가 고정되었다고 가정하였는데, 실제 이동통신 시스템에서는 릴레이로 사용되는 사용자 터미널이 고정되어있지 않다. 따라서 최근에는 릴레이의 위치가 랜덤하다고 가정하여 협동 릴레이 시스템의 성능을 유도하는 연구들이 진행되고 있다[5], [6], [7].

제안 방법

따라서 본 논문에서는 사용자 터미널이 공간적으로 랜덤하게 분포된 모바일 환경을 포아송 포인트 프로세스(PPP, Poisson Point Process)로 모델링 하였다. 그리고 랜덤하게 분포된 릴레이를 최대 SNR 선택법과 최대-최소 SNR 선택법을 이용하여 선택하였을 때 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템의 성능을 유도하였다. 그리고 소스 및 릴레이에 전체 송신전력을 분배하였을 때 선택법에 따른 오수신율의 변화를 비교하였다.
그리고 랜덤하게 분포된 릴레이를 최대 SNR 선택법과 최대-최소 SNR 선택법을 이용하여 선택하였을 때 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템의 성능을 유도하였다. 그리고 소스 및 릴레이에 전체 송신전력을 분배하였을 때 선택법에 따른 오수신율의 변화를 비교하였다.
따라서 본 논문에서는 사용자 터미널이 공간적으로 랜덤하게 분포된 모바일 환경을 포아송 포인트 프로세스(PPP, Poisson Point Process)로 모델링 하였다. 그리고 랜덤하게 분포된 릴레이를 최대 SNR 선택법과 최대-최소 SNR 선택법을 이용하여 선택하였을 때 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템의 성능을 유도하였다.
본 논문에서는 위치가 고정되어있지 않고 이동하는 릴레이를 대상으로 하여 추가 기회전송 협동릴레이 시스템의 오수신율을 유도하였다. 특히 대표적인 릴레이 선택법인 최대 SNR 선택법과 최대-최소 SNR 선택법을 사용하였을 때 시스템의 성능을 비교하였다.
첫째, 방송단계에서는 소스가 정보를 송신하고 목적지 및 릴레이가 수신한다. 이 논문에서는 추가 기회전송 협동 릴레이 시스템을 고려하므로, 만일 목적지에서 수신한 SNR이 임계값보다 크면 정보전송을 종료하고, 반대로 임계값보다 작으면 정보전송에 실패하였다는 피드백 비트를 소스 및 릴레이로 송신한다.
본 논문에서는 위치가 고정되어있지 않고 이동하는 릴레이를 대상으로 하여 추가 기회전송 협동릴레이 시스템의 오수신율을 유도하였다. 특히 대표적인 릴레이 선택법인 최대 SNR 선택법과 최대-최소 SNR 선택법을 사용하였을 때 시스템의 성능을 비교하였다. 성능 비교결과 최대-최소 SNR 선택법이 최대 SNR 선택법보다 주어진 조건에서 시스템의 성능이 약 2.

성능/효과

특히 최대 SNR 선택법은 소스와 목적지 사이의 거리가 가까운 경우보다 먼 경우 릴레이에 더 많은 송신전력을 할당하였을 때 시스템의 성능이 개선되었다. 그러나 최대-최소 SNR 선택법은 소스와 목적지의 거리가 증가하여도 소스와 릴레이에 전력을 균등하게 분배하였을 때 성능이 우수하였다. 본 논문의 결과는 성능은 우수하지만 시스템의 복잡한 최대-최소 SNR 선택법과 성능이 다소 저하되어도 구조가 간단한 최대 SNR 선택법을 시스템에 적용하는데 이론적인 근거로 활용이 가능할 것으로 예상된다.
그리고 전체 송신 전력이 제한된 경우 소스 및 송신 릴레이에 전력을 할당하여 시스템의 오수신율을 최소화 할 수 있는데, 최대 SNR 선택법은 최대-최소 SNR 선택법 보다 전력할당에 따른 성능 변화가 더욱 민감하였다. 특히 최대 SNR 선택법은 소스와 목적지 사이의 거리가 가까운 경우보다 먼 경우 릴레이에 더 많은 송신전력을 할당하였을 때 시스템의 성능이 개선되었다.
특히 대표적인 릴레이 선택법인 최대 SNR 선택법과 최대-최소 SNR 선택법을 사용하였을 때 시스템의 성능을 비교하였다. 성능 비교결과 최대-최소 SNR 선택법이 최대 SNR 선택법보다 주어진 조건에서 시스템의 성능이 약 2.5 dB 우수하였지만, 릴레이 밀도가 변화할 때 선택법에 따른 성능 차이는 매우 미미하였다.
그리고 전체 송신 전력이 제한된 경우 소스 및 송신 릴레이에 전력을 할당하여 시스템의 오수신율을 최소화 할 수 있는데, 최대 SNR 선택법은 최대-최소 SNR 선택법 보다 전력할당에 따른 성능 변화가 더욱 민감하였다. 특히 최대 SNR 선택법은 소스와 목적지 사이의 거리가 가까운 경우보다 먼 경우 릴레이에 더 많은 송신전력을 할당하였을 때 시스템의 성능이 개선되었다. 그러나 최대-최소 SNR 선택법은 소스와 목적지의 거리가 증가하여도 소스와 릴레이에 전력을 균등하게 분배하였을 때 성능이 우수하였다.

후속연구

그러나 최대-최소 SNR 선택법은 소스와 목적지의 거리가 증가하여도 소스와 릴레이에 전력을 균등하게 분배하였을 때 성능이 우수하였다. 본 논문의 결과는 성능은 우수하지만 시스템의 복잡한 최대-최소 SNR 선택법과 성능이 다소 저하되어도 구조가 간단한 최대 SNR 선택법을 시스템에 적용하는데 이론적인 근거로 활용이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 릴레이 선택법에는 어떤 것이 있는가?	기회전송 방식이나 추가 기회전송 방식은 모두 하나의 릴레이를 선택하여 사용하기 때문에, 릴레이를 선택하는 방법에 따라서 시스템의 성능에 영향을 준다. 대표적인 릴레이 선택법으로는 최대 SNR(Signal-to-noise ratio) 선택법, 최대-최소 SNR 선택법이 있다[4].
	릴레이를 이용한 협동 릴레이 시스템이 주목 받고 있는 이유는?	최근에는 이를 극복하기 위하여 MIMO (multiple-input multiple-output)나 릴레이 등을 도입하여 공간 다이버시티를 적극 활용하고 있다. 특히 송수신기의 공간제약이 있는 경우에는 송수신기 자체에 여러 개의 안테나를 장착하는 것이 어렵기 때문에 릴레이를 이용한 협동 릴레이 시스템이 더욱 주목 받고 있다[1].
	초기의 협동 릴레이 시스템의 문제점은?	초기의 협동 릴레이 시스템은 소스의 정보를 목적지로 전달하기 위하여 여러 개의 릴레이가 모두 정보전송에 참여하였다. 그러나 참여 릴레이 개수만큼의 통신 자원 (예를 들어 시간, 주파수, 코드 등)이 필요하므로 효율적이지 못하다. 따라서 릴레이를 하나만 사용하면서도 충분한 공간 다이버시티 이득을 발생할 수 있는 기회전송 협동릴레이 시스템이 개발되었다[2],[3].

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
S. S. Ikki and M. H. Ahmed, "Performance analysis of incremental-relaying cooperative-diversity networks over Rayleigh fading channels," IET Communi., vol. 5, no. 3, pp. 337-349, Feb. 2011.

상세보기
A. Bletsas, H. Shin, M. Z. Win, "Cooperative communications with outage-optimal opportunistic relaying," IEEE Trans. on Wireless Communi., vol. 6, no. 9, pp. 3450-3460, Sep. 2007.

상세보기
H. Wang, S. Ma, T.-S. Ng, and H. V. Poor, "A general analytical approach for opportunistic cooperative systems with spatially random relays," IEEE Trans. on Wireless Communi., vol. 10, no. 12, pp. 4122-4129, Dec. 2011.

상세보기
A. Tukmanov, S. Boussakta, Z. Ding, and A. Jamalipour, "Outage performance of imperfect-CSI-based selection cooperation in random networks," IEEE Trans. on Communi., vol. 62, no. 8, pp. 2747-2756, Aug. 2014.

상세보기
A. Behnad, A. M. Rabiei, N. C. Beaulieu, "Performance analysis of opportunistic relaying in a Poisson field of amplify-and-forward relay," IEEE Trans. on Communi., vol. 6, no. 1, pp. 97-107, Jan. 2013.
G. L. Stuber, Principles of mobile communication, 2nd Ed., Kluwer Academic Publishers, 2001.
J. Kingman, Poisson Process, ch.5, Oxford University Press, 1993.
D. Stoyan, W. Kendall, and J. Mecke, Stochastic geometry and its applications, John Wiley and Sons Ltd, 1995.
I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, Table of integrals, series, and products, 6thEd., Academic Press, 2000.
Nam-Soo Kim,"Performance of opportunistic incremental relaying systems with random relays in Rayleigh fading channels," Journal of IIBC, vol. 16, no. 1, pp. 61-67, Feb. 2016.

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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