무선 중계기는 안정적인 전송, 높은 전송률, 그리고 셀룰라 시스템의 셀 영역 확장 등을 가능케 함으로 인해 큰 주목을 받아왔다. 이러한 무선 중계기 연구는 최근 다중 입출력 안테나 (MIMO) 시스템으로 확장되기 시작하였다. MIMO를 사용할 경우, 중계기에서 적절한 신 ...

무선 중계기는 안정적인 전송, 높은 전송률, 그리고 셀룰라 시스템의 셀 영역 확장 등을 가능케 함으로 인해 큰 주목을 받아왔다. 이러한 무선 중계기 연구는 최근 다중 입출력 안테나 (MIMO) 시스템으로 확장되기 시작하였다. MIMO를 사용할 경우, 중계기에서 적절한 신호 처리 방식을 사용함으로써 MIMO-중계기 채널의 용량은 크게 향상될 수 있다. 이에 착안하여, 본 논문에서는 비재생성 MIMO-중계기 시스템을 위한 빔 형성 및 전력 할당 방식을 연구하였다.
본 논문의 첫 부분에서는 모든 노드들이 복수개의 안테나를 갖는 하향링크 비재생성 중계기 시스템을 개발하였다. 본 논문에서 가정하는 중계기는 고정된 장소에 설치되며 낮은 신호처리 지연을 갖고 간단한 구현이 가능한 범용적인 것이다. 따라서 기지국-중계기 링크의 채널 상태는 시간에 따라 일정하며 중계기에서 충분히 사용할 수 있다고 가정하였다. 반면 중계기-단말기 링크의 채널 상태는 단말기의 이동성으로 인해 중계기에서 활용하기 어렵다고 가정하였다. 이와 같은 제안된 상황을 Half-Blind Relaying 모델이라고 정의하고, 제안된 모델을 기반으로 한 MIMO-중계기 시스템의 평균 용량을 증가시키는 빔 형성 및 전력 할당 방식으로 Half-Blind Relaying Water-Filling (HBR-WF) 기법을 제안하였다. 제안하는 방식은 우선 기지국-중계기 채널의 좌 특이행렬을 빔 형성 행렬로 사용하여 전송된 신호를 복수개의 병렬 데이터 스트림으로 분리한다. 이때 각 스트림들의 용량의 합에 대하여 주어진 상향치를 극대화하는 값을 구하여 전력 할당치로 사용함으로써 평균 용량을 증가시킨다. 그 결과, HBR-WF 기법은 신호 대 잡음비 (SNR)이 높은 환경에서는 중계기의 각 안테나의 송신 전력을 동일하게 만들었으며, SNR이 작을 때는 가장 높은 채널 이득을 갖는 한 개의 데이터 스트림에 모든 전력을 다 할당하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 HBR-WF로 얻은 평균 용량은 최적값에 근접함을 보였으며, 기존의 방식에 비해 28%의 평균 용량 향상을 얻음을 보였다. 이러한 성능 이득은 기지국-중계기 채널의 라이시안 인자가 클수록 증가함을 볼 수 있었다.
본 논문의 두 번째 부분에서는 상향링크 MIMO-중계기 시스템을 위한 HBR-WF 기법을 제안하였다. 하향링크 시스템과 마찬가지로 기지국-중계기간 채널은 고정되어 있어서 중계기에서 측정 가능하며, 시간에 따라 빠르게 변하는 중계기-단말기간 채널 정보는 중계기에서 이용할 수 없다고 가정하였다. 제안하는 상향링크 HBR-WF 기법은 기지국-중계기 채널의 우 특이행렬을 중계기의 빔 형성에 사용하며, 또한 전력 할당 방식으로 주어진 상향치를 극대화함으로써 평균 용량을 증가시킨다. 시뮬레이션 결과, HBR-WF 기법은 기지국에서의 SNR이 낮을 때 최적값에 근접하는 성능을 내었으며, 이것은 WF 기법을 사용했을 때의 결과와도 일치한다. 기존의 기법에 비해 약 50% 정도의 평균 용량 이득을 보였다. 반대로, 기지국에서의 SNR이 높을 때는 중계기에서의 전력할당이 평균 전송률 향상에 큰 영향이 없음을 확인하였다.

본 연구를 통해 상하향링크 각각의 비재생성 MIMO 중계기 시스템에 적합한 빔 형성 및 전력 할당 기법을 제안하였다. 중계기에서의 송신 지연을 최소화하고 중계기의 복잡도가 매우 낮아야 하는 실질적인 무선 통신 환경을 고려하여 우선 중계기와 단말기 사이의 채널 정 ...

본 연구를 통해 상하향링크 각각의 비재생성 MIMO 중계기 시스템에 적합한 빔 형성 및 전력 할당 기법을 제안하였다. 중계기에서의 송신 지연을 최소화하고 중계기의 복잡도가 매우 낮아야 하는 실질적인 무선 통신 환경을 고려하여 우선 중계기와 단말기 사이의 채널 정보를 알 수 없고, 다만 기지국과 중계기 사이의 채널 정보만을 이용하는 HBR 모델을 제안하였다.
하향링크 HBR 모델에서 제안하는 HBR-WF 기법은 우선 기지국-중계기 채널을 빔 형성 행렬을 사용하여 복수개의 병렬 데이터 스트림으로 분리하며, 이후 각각의 데이터 스트림에 적합한 전력을 할당한다. 빔 형성 행렬로는 기지국-중계기 채널의 좌 특이 행렬을 사용하였다. 최적의 전력 할당치는 직접적으로 계산해내기 어렵기 때문에 제안하는 전력 할당 방식은 평균 전송률에 대해 주어진 상향치를 극대화하며 이를 풀기 위해 Convex Optimization 의 해법을 사용하였다. 중계기에서의 SNR이 높은 환경에서는 각 데이터 스트림의 전송 전력을 같게 할당하는 것이 바람직함을 보였고, 반대로 SNR이 낮은 환경에서는 가장 큰 채널 이득을 갖는 하나의 데이터 스트림에 모든 전력을 할당하는 것이 유리함을 보였다. 시뮬레이션 결과 라이시안 채널에서 HBR-WF 방식은 최대치에 근접하는 평균 용량을 보였으며 기존의 NAF 방식보다 우수한 성능을 나타내었다. 약 28% 정도의 성능향상을 얻을 수 있음을 보였다. 이러한 성능 향상은 중계기-기지국 채널의 라이시언 인자 값이 클수록 증가함을 알 수 있었다.
상향링크 HBR 모델에서 제안하는 HBR-WF 기법은 하향링크와 마찬가지로 중계기-기지국 채널 정보만을 알고 있는 상태에서 중계기-기지국 채널의 우 특이 행렬을 빔 형성 행렬로 사용한다. 이후 Convex Optimization의 해법을 사용하여 평균 용량의 상향치를 극대화할 수 있는 전력 할당치를 찾아낸다. 상향링크에서도 HBR-WF 기법은 기존의 NAF 기법에 비해 뛰어난 성능을 보였으며 최적치에 근사하는 평균 용량을 보였다. 일례로 기지국에서의 SNR 값이 작을 경우, 최대 50%까지의 성능 향상을 기대할 수 있었다. 이와 같이 SNR이 낮을 경우에는, 라이시안 인자 값이 클 수록 성능 이득이 더욱 커짐을 볼 수 있었다.
본 연구 결과는 현재 각광을 받고 있는 WiBro나 3GPP LTE와 같은 차세대 이동통신 시스템의 다중안테나 중계기에서 사용될 수 있다. 특히 실질적인 채널 환경을 고려하여 중계기의 기능을 최소화하고 복잡도를 크게 줄였기 때문에, 현실적으로 활용 가능하여 중계기 시스템의 용량을 향상시킬 수 있다. 본 연구는 특허로 출원되어 현재 몇몇 중계기 업체와 상용화를 위한 논의를 진행중이다.