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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10011507&local_id=10019082
다중입출력 안테나 중계기 시스템을 위한 빔 형성 및 전력 할당 기법
Reports NRF is supported by Research Projects( 다중입출력 안테나 중계기 시스템을 위한 빔 형성 및 전력 할당 기법 | 2005 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 제희원(서울대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00048
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2008년 10월 31일
Year type 결과보고
Year(final report) 2008년
Research result report
  • Abstract
  • 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.
  • Research result and Utilization method
  • 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.
  • Index terms
  • 비재생산, 중계기, 다중입출력 안테나, 평균 용량, 워터필링, 무선시스템
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