[논문]양방향 중계채널에서 중계기 다중안테나가 물리계층네트워크 코딩의 성능에 미치는 영향

박정홍; 정방철; 반태원

doi:10.6109/jkiice.2016.20.8.1438

양방향 중계채널에서 중계기 다중안테나가 물리계층네트워크 코딩의 성능에 미치는 영향
Effect of Multiple Antennas at a Relay Node on the Performance of Physical-Layer Network Coding in Two-Way Relay Channel 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.20 no.8, 2016년, pp.1438 - 1443

박정홍 (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University) , 정방철 (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University) , 반태원 (Department of Information and Communication Engineering, Gyeongsang National University)

초록
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본 논문에서는 양방향 중계 채널에서 중계기에 다중안테나가 존재할 경우 물리계층 네트워크 코딩 기법의 성능분석을 수행하였다. 2개의 소스 노드는 하나의 안테나를 가진다고 가정하고 중계기에는 다중안테나가 설치되었다고 가정한다. 본 논문에서는 소스 노드와 중계노드에 각각 하나의 안테나가 존재하는 기존 시스템을 중계기에 다중안테나가 존재하는 환경으로 확장한다. 특히, 중계기에서 2개의 소스 노드들로부터 도착한 패킷을 복호하는 과정에서 각 패캣을 복호한 후 네트워크 부호화를 수행하는 개별복호기술과 소스 노드들로부터 도착한 2개의 패킷을 동시에 고려하여 직접복호하는 기술을 비교분석한다. 다중안테나기반의 중계기를 사용할 경우 물리계층 네트워크 코딩의 비트오류성능이 중계기의 안테나의 개수가 증가함에 따라 향상되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigate the effect of multiple antennas at a relay node on the performance of physical-layer network coding (PNC) in the two-way relay channel (TWRC). We assume that two source nodes have a single antenna and the relay node has multiple antennas. We extend the conventional TWRC environment with a signle antenna at both relay and source nodes to the case of multiple antennas at the relay node. In particular, we consider two decoding strategies: separate decoding (SD) and direct decoding (DD). The SD decodes each packet from the two sources and performs the network coding with bit-wise exclusive OR (XOR) operation, while the DD decodes the network-coded packet from the two sources. Note that both decoding strategies are based on log-likelihood ratio (LLR) computation. It is shown that the bit error rate (BER) performance becomes significantly improved as the number of antennas at the relay node.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

앞으로 개발될 5G 이동통신 시스템에서는 수십 개의 안테나가 사용될 것으로 예상된다. 본 논문에서는 양방향 중계 채널 통신에서 중계기의 안테나 개수가 2개 이상인 다중안테나 중계기를 고려한 물리계층 네트워크 코딩 기술을 제안한다. 또한 기존에 제안된 BPSK 변조 방식과 추가적으로 QPSK, 그리고 16QAM 변조 방식을 사용한 경우의 성능을 분석한다.

가설 설정

각 무선채널은 hmi ∼ CN(0, σ2mi)인 Rayleigh 분포를 따른다고 가정하였고, 중계 노드는 수신 패킷이 겪은 무선 채널 계수를 알고 있다고 가정한다.
그림 1에서는 각 소스 노드들이 BPSK 변조를 사용하였을 때, 중계 노드 B는 hA = [hA1 hA2]T 채널을 통과한 노드 A로부터 수신신호 hAixA와 hC = [hC1 hC2]T채널을 통과한 노드 C로부터 수신신호 hCixA가 각각 더해진 8개의 수신신호 \(\hat{y}_B\)의 후보를 알고 있다고 가정한다.

제안 방법

중계 노드에서 네트워크 코딩된 패킷이 얻어지면 두 번째 패킷 전송 시간동안 네트워크 코딩된 신호를 전송하게 되는데, 이때부턴 네트워크 코딩이 적용되지 않은 기존의 방식과 동일하다 [7]. 따라서 본 논문에서는 각 소스 노드 (A와 C)에서 x_A와 x_C를 전송하였을 때 중계 노드 B에서 복호된 신호인 \(\hat{b}_B\)로부터 네트워크 코딩된 신호를 얻는데 중점을 두었다. 특히, 그림 1에서 Joint-ML Detector는 III장에서 설명하는 복호 방식이 수행되는 블록이다.
여기서 M=2는 BPSK 변조기법을 나타내고, M=4는 QPSK 변조기법을 나타내고, M=16은 16QAM 변조기법을 나타낸다. 또한 각각의 변조기법에 따라 중계 노드의 안테나 개수를 2, 4개로 늘려가면서 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 복호방식은 양방향 중계기 시스템에서 최적 성능을 보이는 수신된 심볼과 모든 후보 심볼과의 거리를 구해 거리가 가장 짧은 심볼로 복호하는 최근접 (nearest neighbor) 복호방식을 고려하였다[10].
본 논문에서는 양방향 중계 채널 통신에서 중계기의 안테나 개수가 2개 이상인 다중안테나 중계기를 고려한 물리계층 네트워크 코딩 기술을 제안한다. 또한 기존에 제안된 BPSK 변조 방식과 추가적으로 QPSK, 그리고 16QAM 변조 방식을 사용한 경우의 성능을 분석한다.
본 논문에서는 두 노드가 하나의 중계 노드를 통하여 서로 데이터를 주고받는 양방향 중계 네트워크 시스템에서 중계기의 안테나가 2개 이상인 시스템 모델을 고려한다. 아래 그림 1은 두 개의 소스 노드 (A와 C)와 하나의 중계 노드 (B)로 구성된 3개의 노드를 가진 선형네트워크 모델을 나타낸다.
본 논문에서는 두 노드가 하나의 중계 노드를 통하여 서로 데이터를 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 중계 노드의 안테나의 개수가 2개 이상인 다중 안테나 환경을 고려하여 물리계층 네트워크 코딩 기법을 적용하여 결과를 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통하여 중계기의 안테나의 개수가 증가함에 따라 비트 오류 확률의 성능이 향상되는 것을 확인하였다.
중계 노드 B는 다중접속 구간인 첫 번째 패킷 전송 시간동안 수신된 신호를 복호하고 네트워크 코딩된 패킷을 만들어 낸다. 본 논문에서는 중계 노드에서 사용하는 네트워크 코딩 기술로서 배타적 논리합 (XOR) 연산을 고려한다. 복호가 성공적으로 이루어졌다면 두 번째 패킷 전송 시간인 방송 구간 동안 복호 된 신호들의 XOR 연산으로 얻어진 네트워크 코딩된 패킷을 중계 노드 (B)가 방사한다.
본 논문은 두 노드가 하나의 중계 노드를 통하여 서로 데이터를 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 중계 노드의 안테나 개수가 2개 이상인 다중 안테나 중계기를 고려한 물리계층 네트워크 코딩을 적용하였을 때의 성능을 분석하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
논문은 두 노드가 하나의 중계 노드를 통하여 서로 데이터를 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 중계 노드의 안테나 개수가 2개 이상인 다중 안테나 중계기를 고려한 물리계층 네트워크 코딩을 적용하였을 때의 성능을 분석하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 성능의 비교를 위해 모듈레이션의 차수(M)를 2, 4, 16개로 각각 늘여가면서 시뮬레이션을 수행하였다. 여기서 M=2는 BPSK 변조기법을 나타내고, M=4는 QPSK 변조기법을 나타내고, M=16은 16QAM 변조기법을 나타낸다.
또한 복호방식은 양방향 중계기 시스템에서 최적 성능을 보이는 수신된 심볼과 모든 후보 심볼과의 거리를 구해 거리가 가장 짧은 심볼로 복호하는 최근접 (nearest neighbor) 복호방식을 고려하였다[10]. 위의 두 실험 모두 물리계층 네트워크 코딩 기술이 적용되지 않고 페이딩 채널에서 신호가 전송 되었을 때 (Reff)의 성능을 기준으로 BER 분석을 하였다.
그림 1에서서는 각 소스 노드는 하나의 안테나를 가지고 중계 노드는 두 개의 안테나를 가지는 상황을 설명하고 있다. 첫 번째 패킷 전송 시간 동안 A와 C가 동시에 서로 다른 채널 백터를 통해 중계 노드로 데이터를 전송하고, 중계 노드 (B)에서 A와 C가 중첩된 벡터 신호를 수신한다. 중계 노드 B는 다중접속 구간인 첫 번째 패킷 전송 시간동안 수신된 신호를 복호하고 네트워크 코딩된 패킷을 만들어 낸다.

성능/효과

그림 2에서 개별 복호와 직접 복호 방식 모두 거의 비슷한 성능을 보인다. 그러나 중계기 안테나가 2개일 때 개별 복호와 직접 복호 모두 물리계층 네트워크 코딩 기술이 적용되지 않는 경우 (Reff)에 비하여 10^-3의 BER 성능을 기준으로 약 4dB 정도의 성능차이를 보이는 반면, 중계기 안테나가 4개일 때 개별 복호와 직접 복호 모두 물리계층 네트워크 코딩 기술이 적용되지 않는 경우 (Reff)에 비하여 10^-3의 BER 성능을 기준으로 약 3dB 정도의 성능차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 중계기 안테나 개수가 증가할수록 물리계층 네트워크 코딩을 적용하지 않은 환경에 가까워진다는 것을 의미한다.
시뮬레이션 결과 그래프들을 통하여 부호화 되지 않은 코드를 사용하는 시스템에서는 복호 방식에 따른 성능 차이가 거의 없고 중계기의 안테나 개수가 증가할수록 네트워크 코딩기술이 적용되지 않은 기존 기술에 점차 가까워지는 것을 알 수 있다. 또한 고차원 변조 방식이 사용될수록 물리계층 네트워크 코딩기술의 복호 성능이 물리계층 네트워크 코딩기술이 적용되지 않은 기존 기술에 비하여 저하된다는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 그림 3에서 비트오류 확률 10^-3를 만족시키기 위하여, 수신 안테나 개수가 4개인 경우 수신 안테나 개수가 2개일 때에 비하여 약 8dB의 전력을 절약할 수 있음을 알 수 있고 그림 4에서는 비트오류 확률 10^-3를 만족시키기 위하여, 수신 안테나 개수가 4개인 경우 수신 안테나 개수가 2개일 때에 비하여 약 10dB의 전력을 절약할 수 있음을 알 수 있다. 복호 기법에 따른 성능 차이는 나타나지 않고, 중계기의 안테나 개수가 증가함에 따라 물리계층 네트워크 코딩을 적용하지 않은 환경에 가까워짐을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 결과 그래프들을 통하여 부호화 되지 않은 코드를 사용하는 시스템에서는 복호 방식에 따른 성능 차이가 거의 없고 중계기의 안테나 개수가 증가할수록 네트워크 코딩기술이 적용되지 않은 기존 기술에 점차 가까워지는 것을 알 수 있다.
복호 기법에 따른 성능 차이는 나타나지 않고, 중계기의 안테나 개수가 증가함에 따라 물리계층 네트워크 코딩을 적용하지 않은 환경에 가까워짐을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 결과 그래프들을 통하여 부호화 되지 않은 코드를 사용하는 시스템에서는 복호 방식에 따른 성능 차이가 거의 없고 중계기의 안테나 개수가 증가할수록 네트워크 코딩기술이 적용되지 않은 기존 기술에 점차 가까워지는 것을 알 수 있다. 또한 고차원 변조 방식이 사용될수록 물리계층 네트워크 코딩기술의 복호 성능이 물리계층 네트워크 코딩기술이 적용되지 않은 기존 기술에 비하여 저하된다는 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 두 노드가 하나의 중계 노드를 통하여 서로 데이터를 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 중계 노드의 안테나의 개수가 2개 이상인 다중 안테나 환경을 고려하여 물리계층 네트워크 코딩 기법을 적용하여 결과를 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통하여 중계기의 안테나의 개수가 증가함에 따라 비트 오류 확률의 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 예를 들어, 16QAM 변조 방식이 사용되고 비트오류 확률 10-3를 만족시키기 위하여, 수신 안테나 개수가 4개인 경우 수신 안테나 개수가 2개일 때에 비하여 약 10dB의 전력을 절약할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

예를 들어, 16QAM 변조 방식이 사용되고 비트오류 확률 10-3를 만족시키기 위하여, 수신 안테나 개수가 4개인 경우 수신 안테나 개수가 2개일 때에 비하여 약 10dB의 전력을 절약할 수 있음을 확인하였다. 따라서 고차원 변조방식과 MIMO 기술의 적절한 혼용을 통해 차세대 무선 통신 시스템에서 요구하는 높은 데이터 전송률을 충족시킬 수 있을 것으로 예상된다.
11 등의 시스템에서는 송수신 안테나가 4~8개 정도 고려하고 있다. 앞으로 개발될 5G 이동통신 시스템에서는 수십 개의 안테나가 사용될 것으로 예상된다. 본 논문에서는 양방향 중계 채널 통신에서 중계기의 안테나 개수가 2개 이상인 다중안테나 중계기를 고려한 물리계층 네트워크 코딩 기술을 제안한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	네트워크 부호화 기술이란 무엇인가?	최근 양방향 중계 채널 통신에서 데이터 전송률과 신뢰성을 향상시키기 위한 기술로 네트워크 부호화(network coding) 기술이 제안되었다. 네트워크 부호화 기술은 중계 노드가 두 소스 노드에서 전송된 신호를 단순히 전달해주는 역할에서 그치지 않고 입력 정보들을 네트워크 부호화를 통해 새로운 출력정보를 만들어 두 소스 노드로 송신하는 기술이다[1]. 이처럼 네트워크 부호화를 적용하지 않은 기존의 양방향 중계 채널 통신은 두 소스 노드 간에 정보를 주고받는데 네 번의 패킷 전송 시간이 필요한 반면, 네트워크 부호화 기술을 적용함으로써 세 번의 패킷 전송 시간으로 노드 간 통신이 가능하다.
	양방향 중계 채널 통신에 네트워크 부호화 기술을 적용하면 어떤 효과가 있는가?	이처럼 네트워크 부호화를 적용하지 않은 기존의 양방향 중계 채널 통신은 두 소스 노드 간에 정보를 주고받는데 네 번의 패킷 전송 시간이 필요한 반면, 네트워크 부호화 기술을 적용함으로써 세 번의 패킷 전송 시간으로 노드 간 통신이 가능하다. 그로 인해 데이터 전송시간을 단축시키고, 그에 따라 데이터 전송률과 주파수 효율을 높일 수 있다.
	물리계층 네트워크 코딩은 어떤 기술인가?	네트워크 부호화를 적용한 시스템보다 주파수 효율과 데이터 전송률을 증가시키기 위한 기술로 물리계층 네트워크 코딩(physical-layer network coding, PNC) 기술이 연구되었다[2]. 물리계층 네트워크 코딩은 첫 번째 패킷 전송 시간 동안 두 소스 노드들이 동시에 패킷들을 중계 노드로 전송하여도 그 중첩된 신호로부터 네트워크 코딩된 신호를 얻을 수 있다는 점에서 착안하여, 두 번째 패킷 전송 시간 동안 중계 노드가 수신한 두 패킷으로부터 네트워크 코딩된 신호를 얻어 두 소스 노드에게 네트워크 코딩된 패킷을 전송하여 노드 간에 정보를 주고받는데 두 번의 패킷 전송 시간이 필요한 보다 주파수 효율적인 데이터 중계 기술이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
F. F. Rusek, D. Persson, B. K. Lau, E. G. Larsson, T. L. Marzetta, O. Edfors, and F. Tufvesson, "Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays," IEEE Signal Process. Mag., vol. 30, pp. 37-60, Jan. 2013.
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S. H. Kim, B. C. Jung, and D. K. Sung, "Transmit power optimization for two-Way relay channels with physicallayer network coding," IEEE Communications Letters, vol. 19, no. 2, pp. 151-154, Feb. 2015.

상세보기
M. Park, I. Choi and I. Lee, "Exact BER analysis of physical layer network coding for two-way relay channels," in Proc. of IEEE VTC, May 2011.

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