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자기간섭 제거 기능이 없는 기존 단말을 가지는 양방향 다중입출력 중계 증폭 전송 기법
Two-Way MIMO AF Relaying Methods Having a Legacy Device without Self-Interference Cancellation 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.42 no.2, 2017년, pp.338 - 344  

이경재 (Hanbat National University, Department of Electronics and Control Engineering)

초록
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본 논문에서는 송신단, 수신단, 중계 전송단에서 모두 다중 안테나를 가지고 양방향 중계 증폭 전송 방식으로 동작하는 통신 환경을 고려한다. 양방향 중계 전송에서 발생하는 자기 간섭을 한 쪽의 수신단에서는 제거할 수 있고, 다른 한 수신단에서는 제거할 수 없는 상황에서 최대 전송률을 보내기 위해 릴레이 구조를 최적화하는 것을 목표로 한다. 먼저 최대 전송률을 구하기 위하여 GD(gradient descent) 기반의 지역 최적화 알고리즘을 개발하고, 보다 간단한 구조를 가지는 특이값 분해(SVD: singular value decomposition) 기반의 블록 삼각화 방법을 제안한다. 시뮬레이션 결과는 제안하는 양방향 기법들이 기존의 양방향 방법에 비해 자기간섭 제거 기능이 없는 기기가 상용될 때 향상된 성능을 얻는다는 것을 보여준다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, two-way amplify-and-forward relay methods are investigated where two terminals and one relay node are equipped with multiple antennas. In two-way relay channels, it is assumed that one terminal can eliminate its own self-interference but the other cannot. For this channel, we first ma...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 위 문제 (6)은 nonconvex 문제이기 때문에 분석적인 방법으로 해를 구하기는 매우 어렵다. 따라서 본 논문에서는 잘 알려진 최적화 방법 중 하나인 GD 기법을 이용하여 이론적인 채널용량합의 한계치를 확인하려고 한다[17,18].
  • 무선 통신에서 양방향 중계전송방식은 동시에 양방향 전송을 가능하게 해 전체 채널 용량을 배가시키는 장점을 가지기 때문에 최근 활발히 연구되었다. 본 논문에서는 MIMO 릴레이를 가지는 양방향 중계 증폭 전송 시스템에서 한 쪽 단말에서 자기간섭 제거 기능이 없는 경우에 적용할 수 있는 릴레이 프리코딩 기법을 제안하였다. 먼저 이론적인 채널용량을 알아보기 위해 반복 GD 알고리즘을 통해 전송률을 최대화하였다.

가설 설정

  • 또한 H∈CN×M와 G∈CN×M는 송신단 TA와 TB에서 릴레이 R까지의 MIMO 채널 행렬을 나타내고, 릴레이 가우시안(Gaussian) 잡음 n은 #latex 을 만족한다고 가정한다.
  • 전체 실험결과를 얻기 위하여 PA = PB = PR, σ2n = , σ2A = , σ2B , 그리고 SNR PA / , σ2n을 가정한다. 또한 첫 번째 채널 행렬 H와 G의 각 성분들을 분산 1과 평균 0을 가지는 i.i.d.(independent and identically distributed) 복소수 가우시안 변수로 고려하고, 시간 분할 듀플렉스(TDD: time division duplex) 방식을 가정하여 두 번째 채널 행렬은 H = HT 와 G = GT로 생성한다. 제안하는 방법들을 비교하기 위하여 자기간섭제거 기능을 모두 가지는 단말들을 고려한 기존 양방향 단순증폭(two-way naive)[17]방식의 전송률, 그리고 한 방향 중계 방식에서의 최대채널용량(one-way capacity)[11]과 단순증폭방식(one-way naive)[11]의 성능을 각각 비교한다.
  • 예를 들어, TA는 최신형 기기나 기지국, B T 는 자기간섭 제거 기능이 반영되기 전에 나온 기존 단말로 가정할 수 있을 것이다. 여기서 두 단말들은 각각 M개, 릴레이는 N개의 다중 안테나를 가진다고 가정한다. 여기서 단말 TB의 경우 자기가 보냈던 기저대역 신호를 저장하고 있다가 수신신호에서 제거하는 기능을 가지지 않기 때문에 릴레이에서 다중안테나 신호처리를 통하여 자기간섭 신호를 제거할 필요가 있다.
  • 전체 실험결과를 얻기 위하여 PA = PB = PR, σ2n = , σ2A = , σ2B , 그리고 SNR PA / , σ2n을 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
양방향 릴레이(two-way relay) 통신 방식은 무엇을 극복할 수 있는 방안으로 제안되었는가? 양방향 릴레이(two-way relay) 통신 방식은 중계 전송에서 필연적으로 발생하는 주파수 효율의 손실을 극복할 수 있는 방안으로 제안되었다[14,15]. 기존 한 방향 릴레이(one-way relay) 방식과는 달리, 양방향 릴레이 방식에서는 릴레이를 사이에 두고 양 단말에서 동시에 신호를 전송하고, 릴레이는 수신된 신호를 동시에 양 단말에게 재전송하는 형태로 신호 전달이 이루어진다.
양방향 릴레이 방식은 기존 릴레이 방식들에 비해 향상된 성능을 가지는 이유는? 제안하는 양방향 릴레이 방식은 기존의 양방향 릴레이 방식과 달리 한쪽 단말에서 자기간섭 제거기능이 없다는 것을 가정하기 때문에 기존에 사용되던 단말기들을 그대로 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 제안하는 방식은 릴레이단에서 TB와 연관된 자기간섭신호를 고려하여 제거하기 때문에 기존의 릴레이 방식들에 비해 향상된 성능을 가질 수 있다. 다음 장에서는 모의 실험을 통해 제안하는 블록 삼각화 기법이 채널용량 최대화 알고리즘의 성능을 따라가는 것을 확인할 수 있다.
양방향 릴레이 방식은 어떤 장점이 있는가? 이는 실제 시스템에 적용할 경우 릴레이 프리코딩을 구하기 위해 필요한 정보의 양이 줄어 전체 채널 추정을 위한 시스템 설계에 있어서 자유도를 높일 수 있다. 제안하는 양방향 릴레이 방식은 기존의 양방향 릴레이 방식과 달리 한쪽 단말에서 자기간섭 제거기능이 없다는 것을 가정하기 때문에 기존에 사용되던 단말기들을 그대로 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 제안하는 방식은 릴레이단에서 TB와 연관된 자기간섭신호를 고려하여 제거하기 때문에 기존의 릴레이 방식들에 비해 향상된 성능을 가질 수 있다.
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참고문헌 (19)

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  9. A. Host-Madsen and J. Zhang, "Capacity bounds and power allocation for wireless relay channels," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, no. 6, pp. 2020-2040, Jun. 2005. 

  10. H. Bolcskei, R. U. Nabar, O. Oyman, and A. J. Paulraj, "Capacity scaling laws in MIMO relay networks," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 5, no. 6, pp. 1433-1444, Jun. 2006. 

  11. X. Tang and Y. Hua, "Optimal design of non-regenerative MIMO wireless relays," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, no. 4, pp. 1398-1407, Apr. 2007. 

  12. K.-J. Lee, J.-S. Kim, G. Caire, and I. Lee, "Asymptotic ergodic capacity analysis for MIMO amplify-and-forward relay networks," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 9, pp. 2712 2717, Sept. 2010. 

  13. J. Shin, "On robust MMSE-based filter designs for multi-user peer-to-peer amplify-and-forward relay systems," J. KICS, vol. 38, no. 9, pp. 798-809, Sept. 2013. 

  14. J. Seo, C. Han, S. Park, and J. Chung, "Resource allocation schemes for legacy OFDMA systems with two-way DF relay," J. KICS, vol. 39, no. 10, pp. 593-600, Oct. 2014. 

  15. B. Rankov and A. Wittneben, "Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 25, no. 2, pp. 379-389, Feb. 2007. 

  16. R. Zhang, Y.-C. Liang, C. C. Chai, and S. Cui, "Optimal beamforming for two-way multi-antenna relay channel with analogue network coding," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 27, no. 5, pp. 699-712, Jun. 2009. 

  17. K.-J. Lee, H. Sung, E. Park, and I. Lee, "Joint optimization for one and two-way MIMO AF multiple-relay systems," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 12, pp. 3671-3681, Dec. 2010. 

  18. K.-J. Lee and I. Lee, "Achievable rate regions for two-way MIMO AF multiple-relay channels," in Proc. IEEE Veh. Tech. Conf. '11 Spring, May 2011. 

  19. M. S. Bazaraa, H. D. Sherali, and C. M. Shetty, Nonlinear Programming: Theory and Algorithms, 3rd Ed., John Wiley & Sons, 2006. 

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