전이중방식 증폭 및 전달 중계기의 최적 설계 연구

Abstract

다중홉 무선 중계기(multihop wireless relay)는 셀 커버리지 확대와 통신시스템 링크 향상을 위해 많이 연구되고 있다. 그동안 소스로부터 데스티네이션까지로의 단방향 통신에서는 대부분 반이중방식(half-duplex: HD) 중계기에 관심을 두었다. 이것은 같은주파수에서 동시에 송수신할 수 있는 전이중방식(full-duplex: FD) 중계기가 강한 자기간섭(self-interference) 신호를 만들어내기 때문이다. 그러나 다중안테나 기술의 발전으로 전이중방식 중계기에 다시 관심이 모아지고 있고 이것은 송신과 수신 채널의 직교성을 필요로 하지 않게된다.

먼저 전이중방식 증폭 및 전달(amplify-and-forward: AF) 중계기가 있는 다중입출력(multiple-input multiple-output: MIMO) 무선채널의 채널용량을 유도한다. 소스로부터 데스티네이션으로의 직접경로가 없는 경우에 다중안테나를 갖는 전이중방식 증폭 및 전달 중계기가 있는 채널의 최대 정보전송률을 고려한다. 자기간섭 신호는 시간영역 디지털신호처리에 의해 완벽하게 제거되고 또한 LNA의 비선형성 문제와 강한 자기간섭 신호에 의한 ADC의 해상도 부족문제는 무시할 수 있다는 가정하에 중계기의 최적 변환 행렬(optimal transformation matrix)을 유도한다. 이러한 가정하에서 전이중방식 중계기는 마치 자기간섭이 없는 경우와 같은 정보전송률을 달성할 수 있다. 동일한 평균파워를 사용한다는 가정하에 전이중방식 중계기와 반이중방식 중계기의 채널용량을 비교한다. 보다 구체적으로 단일 안테나 시스템에서 전이중방식 중계기가 반이중방식 중계기보다 높은 정보전송률을 갖게 될 신호대잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)의 필요충분조건이 유도된다.

다음으로 반이중방식 증폭 및 전달 중계기의 정보전송률 손실을 만회하기 위한 최적의 전이중방식 증폭 및 전달 중계기를 설계한다. 보다 구체적으로 소스로부터 데스티네이션으로의 직접경로가 없는 경우에 아날로그 영역에서 자기간섭을 충분히 억제하고 residual 간섭신호를 디지털 영역에서 제거하는 방식을 고려한다. 근사해를 찾는 이전의 접근방식과는 달리 nonconvex QCQP 문제를 만들어 최적의 해를 찾는다. 소스로부터 데스티네이션까지의 주파수 효율성(spectral efficiency) 또는 신호대 간섭 및 잡음비(signal-to-interference-plus-noise ratio: SINR)를 중계기의 출력파워에 제한을 둔 상태에서 최대화한다. 또한 LNA의 비선형성 문제와 강한 자기간섭 신호에 의한 ADC의 해상도 부족문제를 막기위해 중계기 수신안테나의 수신신호 크기에도 제한을 둔다. 체계적인 제한집합(constraint set)의 축소 및 분할로 최적의 해가 closed algorithmic expression으로 유도되었다. 그리고 이과정에서 최적의 해가 시스템의 성능과 자기간섭 제거사이에서 균형을 맞추기 위해서 어떤 방향으로 전력을 할당하는지를 잘 보여준다. 모의실헙을 통해 중계기 수신 RF체인의 하드웨어의 제약을 충분히 고려하더라도 최적의 전이중방식 증폭 및 전달 중계기는 최적의 반이중방식 증폭 및 전달 중계기에 비해 성능이 뛰어남을 보였다.

마지막으로, 잡음이 있는 부가정보(noisy side information)가 있을 때 무선채널과 RF체인의 주파수영역 채널특성을 알아내기 위해 최대우도(maximum-likelihood: ML) 채널추정방법을 고려한다. 여기서 무선채널은 송,수신 안테나와 전파경로를 포함하는 것이고 RF체인은 송,수신 RF체인의 채널을 모두 포함한다. 관찰벡터와 동일한 길이를 갖는 부가정보벡터는 송,수신단에서 안테나를 제거하고 송, 수신 RF 체인을 직접 연결하여 얻어진다. 채널측정활동을 통해 중심주파수 2.38 GHz, 대역폭 20MHz 채널의 실내채널측정결과를 얻고 이로부터 단일입출력안테나(single-input single-output: SISO) 주파수 선택적(frequency-selective) 채널을 나타내는 새로운 채널 파라미터를 제안하였다. 채널용량식의 Taylor series 전개를 통해 채널의 평균 전력 이득을 나타내는 mean path gain과 채널의 주파수영역 선택특성(frequency selectivity)을 나타내는 mean-square path gain으로 채널용량을 근사화하였다.

Multihop wireless relay has been attracting a lot of attention for its potential to extend the coverage and to improve the link quality of communication systems. For uni-directional communication from a source to a destination, most of the attention has been paid so far to a half-duplex (HD) relay. This is because a full-duplex (FD) relay that transmits and receives in the same frequency band at the same time may generate a strong self interference to the relay itself. However, with the advent of multi-antenna technologies, there has been a regained interest in the use of the FD relay that does not require two orthogonal channels.

First, we derive the capacity of MIMO wireless channel with full-duplex amplify-and-forward relay. The maximization of the end-to-end information rate from the source to the destination without a direct path is considered for the FD amplify-and-forward (AF) relay with multiple transmit and receive antennas. The optimal transformation matrix of the relay is derived under the assumption that the self interference is perfectly cancelled by time-domain digital signal processing and possible nonlinear distortion in the LNA and finite precision effect in the ADC due to the strong self interference are ignored. It is shown that the relay maximizes the throughput as if there is no interference from the relay itself. A comparison is made to the channel with a half-duplex relay having the same average transmission power. In particular, a necessary and sufficient condition is derived in terms only of the signal-to-noise ratios (SNRs) for a full-duplex relay to perform better than a half-duplex relay in SISO cases.

Second, an optimal full-duplex (FD) amplify-and-forward (AF) relay is designed to compensate for the duplexing loss of the half-duplex (HD) AF relay. In particular, when there is no direct link between a source and a destination, joint analog domain self-interference suppression and digital domain residual self-interference cancellation is considered with an FD-AF relay having single receive antenna but multiple transmit antennas. Unlike previous approaches, a nonconvex quadratically constrained quadratic programming problem is formulated to find the optimal solution. The end-to-end spectral efficiency or, equivalently, the end-to-end signal-to-interference-plus-noise ratio from the source to the destination is chosen as the objective function to be maximized subject to the average transmit power constraint at the relay. In addition, an average power constraint is imposed on the output of the relay's receive antenna to avoid the nonlinear distortion in the low noise amplifier and the excessive quantization noise in the analog-to-digital converter. Through the systematic reduction and the partitioning of the constraint set, the optimal solution is derived in a closed algorithmic expression and shows how it allocates the transmission power not only in the direction of maximal performance improvement but also in the orthogonal direction in order to balance the system performance and the amount of self interference. It is shown that the optimal FD-AF relay significantly outperforms the optimal HD-AF relay even with the hardware limitations in the RF chain of the relay's receiver being well taken into account.

Lastly, a frequency-domain joint maximum-likelihood (ML) estimation of channel and radio frequency (RF) chain responses is considered when noisy side information is available. The channel includes only transmit and receive antennas and radio propagation medium, while the RF chain includes transmitter (Tx) and receiver (Rx) RF chains. A side information vector of the same length as an observation vector is obtained by directly connecting the Tx and the Rx RF chains after removing the antennas. The results of an indoor channel measurement conducted at 2.38 GHz with a bandwidth of 20 MHz are reported and new channel parameters to characterize the capacity of single-input single-output (SISO) frequency-selective wireless channels are proposed. Using the Taylor series expansion of the channel capacity, the mean path gain that quantifies the average power gain of the channel and the normalized mean-square path gain that quantifies the frequency selectivity of the channel are derived.