공간 다이버시티 기법 및 주파수 효율적인 협업 무선 통신 기술 연구

Abstract

본 논문은 차세대 무선 통신을 위한 공간 다이버시티 기법 및 주파수 효율적인 협업 무선 통신 방법에 관해 기술한다. 주파수 영역 등화기를 이용하는 단일 반송파 (SC-FDE: single-carrier transmission with frequency-domain equalization) 시스템은 증폭기의 비선형 왜곡과 반송파 동기 문제를 경감시키면서 직교 주파수 분할 다중 (OFDM: orthogonal frequency division multiplexing) 시스템과 비슷한 성능과 전반적으로 같은 복잡도를 가진다. SC-FDE와 주파수 분할 다중 접속 (FDMA: frequency-division multiple-access)이 결합된 형태인 SC-FDMA는 사용자들에게 다른 반송파들을 할당함으로써 다중 접속 간섭 (MAI: multiple access interference)이 없는 통신을 할 수 있다. 하지만 비직교 다중 접속 방식만이 최적의 다중 접속 채널 용량을 얻을 수 있고, MAI를 제거할 수 있는 다중 사용자 검출 알고리즘은 비직교 다중 접속 방식의 핵심 기술이다. 본 논문에서는 SC-FDMA에 다중 사용자 검출 기술을 결합해 주파수 자원을 효율적으로 공유할 수 있는 grouped FDMA (GFDMA)를 제안한다. 먼저 사용자에 특화된 인터리빙 (interleaving)을 갖는 SC-FDE 시스템을 위한 다중 사용자 검출에 관한 수학적 공식화를 기술한다. 제안된 구조는 송신단에서 spreader와 각 사용자를 위해 서로 다른 인터리버 (interleaver)를 이용하고, 수신단에서 주파수 영역의 반복적인 검출 방식을 이용하여 다중 사용자 간섭을 제거한다. 이러한 방식을 IMD-FDE (iterative multiuser detection using FDE)라 칭한다. 실험 결과를 통해 제안된 기법은 IMD-TD (iterative multiuser detection in the time domain)에 비해 훨씬 낮은 계산 복잡도를 가지면서, IMD-TD보다 좋은 블록 에러율 (block error rate)을 달성할 수 있다는 것을 보여준다. EXIT (extrinsic information transfer) 차트 분석을 통해 제안된 반복적 검출 기법의 성능이 평가된다. 또한 주파수 선택적 페이딩 채널에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 얻기 위해 GFDMA 시스템에서 QoS (quality of service)를 고려한 스케줄링 알고리즘도 제안한다. 제안된 스케줄링 방식은 다중 사용자 간섭과 QoS 제약 조건을 고려해 반복적 선택으로 반송파들에 사용자를 할당한다. 제안된 스케줄링 기법은 순환 순서 방식 (round-robin)이나 max-SNR 방식에 비해 높은 주파수 효율을 얻을 수 있다.공간 다이버시티 기법은 무선 통신 환경의 페이딩 효과에 대처하기 위해 효율적인 기술이다. 본 논문에서는 SC-FDE 시스템을 위한 SFBC (space-frequency block coding) 기법을 제안한다. 주파수 영역에서 SFBC와 등가 구조를 갖게 시간 영역에서 단일 반송파 전송 시퀀스가 설계되고, 그에 대응하는 결합 기법과 MMSE (minimum mean square error) 등화기가 유도된다. 제안된 시스템은 SFBC OFDM보다 낮은 복잡도를 가지며 고속 페이딩 채널에서 STBC (space-time block coding) SC-FDE보다 더 좋은 성능을 보인다. 두 개의 전송 안테나를 사용하는 다이버시티 시스템에 대해 BER (bit error rate) 분석을 통해 성능을 검증한다. 또한 STBC와 SFBC가 결합된 형태인 STFBC (space-time-frequency block code) SC-FDE 시스템도 제안된다. 제안된 시스템은 OFDM 기반 시스템보다 낮은 복잡도로 STBC나 SFBC만 단독으로 사용한 시스템에 비해 고속으로 페이딩하고 주파수 선택적인 채널에 강함을 보여주고 있다.기존의 공간 다이버시티 기법은 한 곳에 장착된 안테나들을 통해 물리계층에서 다이버시티 이득을 얻어야하므로, 크기와 복잡도의 제약 때문에 모바일 장비에서 다중 안테나 사용은 현실적이지 않다. 협업 다이버시티는 다중 안테나에 따른 추가적인 복잡도없이 이런 문제를 해결할 수 있는 방법이다. 하지만 기존의 반이중 (half-duplex) 중계 방식은 송신국에서 수신국으로 데이터 전송에 두 번의 채널 사용이 필요하므로 주파수 효율이 떨어진다. 본 논문에서는 중계기 협업과 사용자 협업을 위한 주파수 효율적인 단일 반송파 전송 시스템을 제안한다. 제안된 중계기 협업 시스템에서는 다중 송신국이 하나의 중계기, 수신국, 혹은 둘다에 동시에 접속함으로써 주파수 효율을 높인다. 제안된 사용자 협업 시스템에서는 중계기 역할을 하는 노드가 중첩 부호을 사용해 자신의 데이터와 협업 상대방의 데이터를 동시에 전송하는 방법으로 주파수 효율을 높인다. 중첩 부호로는 complex field 중첩 부호와 Galois field 중첩 부호가 고려된다. 두 시스템 모두에서 사용자 특화 인터리버가 도입되고, 다중경로 페이딩에 의한 부호간 간섭을 막고 중첩 신호로부터 다이버시티 이득을 얻기 위한 반복적 검출방법이 제안된다. Density evolution 기법을 통한 성능 추정 방법이 개발되었고, 제안된 시스템들은 주파수 효율을 떨어뜨리지 않고 다이버시티 이득을 얻음을 보여준다.네트워크 코딩은 협업 전송에서 네트워크 처리량을 개선할 것으로 기대되는 기술이다. 네트워크 코딩을 기반으로 하는 협업 전송은 일반적으로 복호 후 전달 방식을 사용하며, 이 때 중계기에서 발생하는 에러는 수신국으로 전파되어 협업 통신의 성능을 떨어뜨린다. 게다가 복호와 재부호화 과정은 구현 복잡도와 파워 소모, 지연시간을 증가시킨다. 본 논문에서는 다수의 송신국들과 중계기들, 하나의 수신국이 있는 협업 전송 시스템을 고려한다. 주파수 효율을 높이기 위해 중계기는 모든 송신국의 bit들을 XOR해서 한 번만 수신국으로 전달한다. 네트워크 코딩된 신호의 에러 전파를 줄이기 위해, 송신국들과 중계기 사이의 채널 상황들을 하나의 등가 채널 이득으로 표현하고, 이를 이용해 중계기 선택과 비례 결합 방식을 수행한다. 또한 복조 후 전달과 soft XOR에 기반한 간단한 중계기 구조를 제안하고, 달성할 수 있는 다이버시티 이득을 오수신 확률을 통해 조사한다. 실험 결과는 중계기에서 검출 에러가 있는 상황에서도 모든 사용자가 한 번의 네트워크 코딩된 신호 전송을 통해 다이버시티 이득을 얻을 수 있음을 보여준다.

This thesis discusses spatial diversity techniques and their applications to spectral efficient cooperative wireless communications. Single-carrier transmission with frequency-domain equalization (SC-FDE) has similar performance and essentially the same overall complexity as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), while alleviating the nonlinear distortion and carrier synchronization problems inherent to OFDM. SC frequency-division multiple-access (SC-FDMA), a combination of FDMA and SC-FDE, can achieve multiple access interference (MAI)-free transmission by allocating different subcarriers to different users. However, it is well known that only non-orthogonal multiple access scheme can approach the optimal capacity of multiple access channel. The error performance of non-orthogonal multiple access scheme is limited due to MAI, and multiuser detection algorithm is a key technique to alleviate MAI. In this thesis, we propose a SC-FDMA system with iterative multiuser detection, called grouped FDMA (GFDMA). We first describe mathematical formulations of multiuser detection for the SC-FDE with user-specific interleaving. The proposed structure employs spreader and different interleaver for each user at the transmitter, and removes multiuser interference with an iterative detection method in the frequency domain at the receiver, which is called iterative multiuser detection using FDE (IMD-FDE). It is shown through simulation results that the proposed scheme achieves a better block error rate performance than an iterative multiuser detection in the time domain even for severely frequency-selective channel, while providing considerably lower computational complexity. The extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis is employed to evaluate the proposed detection scheme. In order to achieve multiuser diversity in frequency-selective fading channels, we also propose quality of service (QoS)-constrained scheduling algorithm for GFDMA. The proposed scheduling method chooses users by iteratively performing user selection. At each user selection for a set of subcarriers, the scheduler takes into account multiuser interference from previously assigned users of corresponding subcarriers and QoS constraint. Simulation results show that the proposed method provides higher spectral efficiency compared with round-robin and max-SNR scheduling algorithms. Spatial diversity is an effective technique to combat the fading effect in wireless communications. We first propose a SC-FDE system with space-frequency block coding (SFBC). The transmit sequence of the proposed system is designed in the time domain to have spatial diversity in the frequency domain, which is equivalent to SFBC. The corresponding combining receiver is derived under a minimum mean square error (MMSE) criterion. It is shown that the proposed system significantly outperforms the space-time block coding (STBC) SC-FDE system over fast fading channels, while providing lower computational complexity than SFBC OFDM. We verify the performance of two-branch transmit diversity systems including the proposed one through bit error rate (BER) analysis. As a scheme that combines STBC and SFBC, a space-time-frequency block code (STFBC) SC-FDE system is also presented. Computer simulation results show that the proposed STFBC SC-FDE system has better immunity to the distortion caused by both fast fading and severe frequency-selective fading, compared to the SC-FDE system with the STBC or the SFBC scheme. Complexity analysis is conducted to compare their computational loads of the transceiver. It is shown that the proposed STFBC SC-FDE system has lower computational complexity than the STFBC OFDM system. In conventional spatial diversity techniques, diversity gain is realized at the physical layer with co-located antennas. Unfortunately, the use of multiple antennas might not be practical at the mobile devices due to the limitation of size and complexity. Cooperative diversity overcomes these problems without the additional complexity of multiple antennas. However, conventional half-duplex relaying schemes suffer from the loss in spectral efficiency, because the two channel uses are required for transmission from the source to the destination. In this thesis, we present spectral efficient SC transmissions for relay-assisted and user cooperative diversity systems. In the proposed relay-assisted systems, multiple sources access a relay, destination, or both simultaneously, which increases spectral efficiency of time-division multiple-access (TDMA)-based relay protocol. In the proposed user cooperative systems, a node, which acts as a relay, employs a superposition coding to transmit its own data block and the data block from the other node simultaneously. For superposition, we consider two different re-encoding schemes. One is based on complex field superposition coding and the other is based on Galois field superposition coding. In both relay-assisted and user cooperative schemes, we introduce a user-specific interleaver to the data blocks for user separation. We also propose an iterative detection scheme to combat the effects of inter-symbol interference caused by multipath fading and to extract diversity gain from the superposed signals. For performance estimation, we develop a density evolution technique. It is shown that the proposed schemes can obtain diversity gain without sacrificing spectral efficiency. Network coding in cooperative transmissions is a promisingtechnique to improve network throughput. The cooperative transmission based on network coding usually works on decode-and-forward protocols. However, decoding errors at the relay cause error propagation, which degrades the performance of cooperative transmissions. In addition, the decoding and re-encoding processes increase the implementation complexity, power consumption, and delay. In this thesis, we consider a cooperative network with multiple sources, multiple relays, and one common destination, and express channel conditions between the sources and relay as a single equivalent channel gain. To mitigate the error propagation in the network-coded signal, the opportunistic relay selection and proportional combining schemes are performed with the equivalent channel and therelay-destination channel. We also propose a simple relay structure based on a demodulate-and-forward protocol and soft XOR operation. We investigate the achievable diversity gain of the proposed system in terms of outage probability. For performance estimation of the proposed scheme, we develop a signal-to-noise ratio transfer technique. Simulation results show that all cooperative users can obtain a diversity gain of order two by using single network-coded transmission, even when there are detection errors at the relay.