다단계 전력제약을 통한 AF MIMO 무선중계 방식
AF MIMO wireless relay methods based on multi level power constraints
- 주제(키워드) 무선통신
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 임재성
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 NCW학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000025803
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 2종류의 단일방향(one-way) 비협력(noncooperative)의 분산된(distributed) 증폭-후-전달(amplify-and-forward : AF) 무선(wireless) 중계기(relaying) 시스템(system)에 대한 연구를 광범위하게 진행하였다. 먼저, 한 개의 안테나만을 보유한 분산된 다수(M)의 송신기들(sources), 한 개의 안테나만을 보유한 분산된 다수(N)의 중계기들(relays), 그리고 한 개의 안테나만을 보유한 분산된 다수(M)의 수신기들(destinations)로 구성된 단일방향 비협력의 분산된 다중사용자 증폭-후-전달 무선중계기 시스템에 대해 심도 있는 연구를 진행하였다. 다음으로는, 다수(M)의 안테나를 보유한 한 개의 고정(nondistributed)된 송신기, 오직 한 개의 안테나만을 보유한 분산된 다수(N)의 중계기들, 그리고 다수(L)의 안테나를 보유한 한 개의 고정된 수신기로 구성된 단일방향 비협력의 증폭-후-전달 분산된 무선중계기 시스템에 대한 연구를 진행하였다. 앞에서 언급한 2종류의 시스템 모델들을 활용하여 대각(diagonal) 송신기 사전부호화행렬(source precoder matrix)(또는 송신 빔형성 벡터(transmit beamforming vector)), 대각 중계기 증폭행렬(relay amplifying matrix), 그리고 대각 수신기 복호화행렬(destination decoder matrix)(또는 수신 빔형성 벡터(receive beamforming vector)를 합동으로 그리고 반복적으로(iteratively) 설계하였다. 송신기로부터 중계기를 통해 수신기로 데이터(data)를 송수신하는 동안에 송신 전력(power) 제약들(constraints)이 송신기 또는 중계기에서 각각(respectively) 독립적(independently)으로 그리고 전체적(aggregately)으로 고려되었다. 여기에서 데이터를 송수신하는 동안에 전체적으로 송신 전력을 제약한다는 것은 송신기의 송신 전력과 중계기의 송신 전력의 합을 제약(network power constraint)한다는 것을 의미한다. 추가로, 제안된 전체적인 시스템 성능(performance)을 비교·분석하기 위하여 데이터를 송수신하는 동안에 송신 전력을 제약하지 않는 경우를 포함하여 다양한 송신 전력에 대한 연구도 병행하여 진행하였다. 데이터를 송수신하는 동안에 다양한 송신 전력을 제약하는 조건하에서 최적의 대각 중계기 증폭행렬 등을 포함하여 다수의 이득행렬들과 트랜시버(transceiver) 빔형성 벡터를 결정하기 위해 송신기로부터 최초 전송된 데이터와 수신기에서 최종 수신한 추정 데이터간의 평균제곱오차(mean square error : MSE)를 최소화하였다. 또한, 본 연구에서는 도출된 최적의 해답들(이득행렬 등)을 좀 더 세밀하게 관찰하기 위한 폭넓은 분석과 논의가 함께 병행되어 이루어졌다. 예를 들면, 획득된 최적의 이득행렬들을 활용하여 최소평균제곱오차(minimum MSE) 비용함수(cost function)와 신호 대 잡음비(signal to noise ratio : SNR)의 특징(behavior)을 수학적(numerically)으로 그리고 분석적(analytically)으로 조사하였다. 뿐만 아니라, 달성 전송률(achievable rate : AR)과 MMSE와의 관계에 대해서도 연구를 진행하였다. 특히, 요구되는 최적의 문제들을 풀기위해 효율적인 반복적 알고리즘(iteratively algorithm)을 새롭게 제안하였으며, 추가로, MMSE 비용함수의 값들이 오직 한 개의 안테나만을 보유한 분포된 중계기들의 수(N)에 관계없이 항상 송·수신기들의 수(M) 보다 작다는 것을 이론적으로 그리고 수학적으로 증명해 보였다. 이론적인 결과들(theoretical results)과 모의실험 결과들(simulation results)과의 일치를 통해 보여 지는 것처럼, 주어진 M과 입력 SNR에 대해 N이 증가하면 증가할수록 다이버시티(diversity order)의 이득이 발생하는 반면, 주어진 N과 입력 SNR에 대해 M이 증가하면 증가할수록 다이버시티의 손실(loss)이 발생하는 것을 입증하였다. 여기에서 N이 증가하면 증가할수록 다이버시티의 이득이 향상되는 이유는 본 연구에서 MMSE가 비용함수로 적용되었고, N이 증가하면 증가할수록 비용함수의 값들이 감소하기 때문이다. 끝으로, 본 연구에서 제안된 전략들이 기존 문헌들이 제시한 전략들 보다 더 우수한 시스템 성능을 나타내었다.
more초록/요약
This dissertation comprehensively investigated two one-way noncooperative distributed amplify-and-forward(AF) wireless relay systems. Firstly, the one-way noncooperative distributed multiuser AF wireless relay system consisting of distributed M sources, distributed N relays, and distributed M destinations all equipped with a single antenna is studied. Secondly, the one-way noncooperative AF wireless distributed relay system consisting of only one source with multiple 𝑀 antennas, distributed multiple 𝑁 relays with only a single antenna per relay, and only one destination with multiple 𝐿 antennas is proposed. By using two system models above, various gain matrices and gain vectors, such as the diagonal source precoder matrix(or transmit beamforming vector) at the source(s), the diagonal relay amplifying matrix at the relays, and the diagonal destination decoder matrix(or receive beamforming vector) at the destination(s), and so on, are jointly and iteratively determined. During data transmission from the (non)distributed source(s) to the (non)distributed destination(s) through distributed relays, the transmit power constraints at either source(s) or relay(s) are respectively, independently, and aggregately considered. Additionally, for the purpose of comparing the overall system performance, the case of diverse transmit power constraints is also dealt with, including the case of the no-power constraint. And, for the sake of determining optimal solutions(gain matrices), such as diagonal source precoder matrix, diagonal relay amplifying matrix, and diagonal destination decoder matrix, and so on, the mean square error(MSE) between the originally transmitted signal(data) from the (non)distributed source(s) and the estimated signal(data) at the (non)distributed destination(s) under the transmit power constraints at the either relays or sources is minimized. Moreover, various analysis and discussion is presented to insight the optimal solutions derived in this dissertation. For instance, with the derived optimal gain matrices, the MMSE (minimum MSE) cost function and signal-to-noise ratio(SNR) behaviors are numerically and analytically investigated. Furthermore, this dissertation presents the relationship between the achievable rate(AR) and the MMSE. That is, this dissertation showed that the maximum SNR criterion is equivalent to the MMSE criterion. In particular, an efficient iterative algorithm is proposed to solve the desired optimization problem. Also, it is also shown that the MMSE cost function values are always less than either M or 1, regardless of N, depending on the number of the originally transmitted signal(data) from the (non)distributed source(s). As proven by the good agreement between the theoretical results and the simulation results, the gain of diversity order can happen as N increases for given M and input SNR, while the loss of diversity order can occur as M increase for given N and input SNR. Here, the reason why the gain of diversity order improves as 𝑁 increases is that the cost function values, defined as MMSE in this dissertation, decrease as 𝑁 increases. Finally, the best system performance, such as MMSE cost function values, BER, and so on, with optimal diagonal gain matrices and transceiver beamforming vectors is observed in all cases presented in this dissertation, including the existing ones.
more목차
제1장 서 론 1
제1절 연구배경 및 목적 1
제2절 연구 필요성 및 방법 3
제3절 연구범위 및 구성 6
제2장 관련연구 8
제1절 무선중계기 시스템 8
제1항 협력 무선중계기 시스템 9
제2항 비협력 무선중계기 시스템 10
제2절 무선중계기 전략 11
제1항 증폭-후-전달(AF) 전략 12
제2항 복호-후-전달(DF) 전략 13
제3항 압축-후-전달(CF) 전략 13
제3절 이득행렬 및 벡터 14
제4절 양방향 중계기 전략 16
제5절 전력 제약 17
제1항 송신 전력 제약 17
제2항 수신 전력 제약 18
제3항 송신 전력 비제약 19
제6절 연구의 한계점 20
제3장 단일방향 비협력의 분산된 다중사용자 AF 무선중계기 시스템에 대한 연구 21
제1절 개 요 21
제2절 시스템 모델 및 데이터 전송 방법 24
제3절 증폭-후-전달 MMSE 기법 전략 28
제4절 이론적 분석 및 논의 41
제1항 반복적 알고리즘 41
제2항 이득행렬의 특성 42
제3항 MMSE 비용함수의 특성 46
제5절 모의실험 결과 및 분석 51
제6절 소결론 64
제4장 단일방향 비협력의 단일사용자 다중안테나 AF 분산 된 무선중계기 시스템에 대한 연구 66
제1절 개 요 66
제2절 시스템 모델 및 데이터 전송 방법 68
제3절 AF 빔형성(Beamforming) 기법 전략 72
제4절 이론적 분석 및 논의 75
제1항 반복적 알고리즘 75
제2항 중계기 증폭행렬 특성 77
제3항 SNR의 특성 78
제4항 MMSE 비용함수의 특성 80
제5절 모의실험 결과 및 분석 81
제6절 소결론 91
제5장 결 론 92
참고문헌 95
Abstract 103
