Design of flter-and-forward relays and two-stage beamformer for next generation wireless communication systems

Abstract

본 논문에서는 차세대 무선 통신 시스템에 적합한 필터링-후-전달 중계 방식과 기지국의 두 단계 빔 설계 방식을 다루었다. 논문은 각 무선 통신 환경에 적합한 중계기 및 기지국의 설계 방법에 따라 크게 네 부분으로 구성되어 있다. 논문의 첫 번째 부분과 두 번째 부분에서는 필터링-후-전달 중계기를 다루며, 논문의 세 번째 부분과 네 번째 부분에서는 기지국의 두 단계 빔 설계 방식에 대해 다룬다. 논문의 첫 번째 부분에서는 기존에 단일 반송파 환경에서만 국한되어 연구되었던 필터링-후-전달 중계기 방식을 SISO-OFDM 시스템에서 처음으로 제안하였고, 다양한 문제를 고려하였다. 중계기의 전력을 최소화하는 필터링-후-전달 중계기 설계 문제, 기지국과 중계기의 전력 제한이 있는 환경에서 반송파중가장낮은 신호대잡음비를 최대화하는 필터링-후-전달 중계기 설계및송신전력 할당 문제, 그리고 기지국과 중계기의 전력 제한이 있는 환경에서 데이터 전송량을 최대화하는 필터링-후-전달 중계기 설계 및 송신 전력 할당 문제를 다루었다. 각 문제는 최적화 이론과 행렬 이론에 근거하여 설계방안이제시되었으며, 기존의증폭-후-전달 중계기 대비 상당한 성능 향상을 보인다는 것을 밝혔다. 논문의 두 번째 부분에서는 앞서 연구되었던 필터링-후-전달 중계기를 MIMO-OFDM시스템으로 확장하여 실제 무선 통신 환경에 적합한 구조를 제안하고 설계 방법을 고려하였다. 먼저 데이터 전송량을 최대화하는 필터링-후-전달 중계기 및 송수신 행렬 설계 문제를 제안하였으며, 해당문제를 기존에 잘 알려진 최소 자승 오차와 데이터 전송량의 동등관계를 이용하여 최적화 문제로 변형하였다. 또한 최적화 이론과 행렬이론을 이용하여 데이터 전송량을 최대화하는 필터링-후-전달 중계기의 설계 방식을 제안하였고, 제안된 설계 방식이 기존의 증폭-후-전달중계기 대비 성능 향상을 보인다는 것을 보였다. 논문의 세 번째 부분에서는 초다수 다중 입력 다중 출력 안테나 (massive MIMO) 환경에서 기지국의 두 단계 빔 설계 방식에 대해 다루었다. 두 단계 빔 설계 방식은 기지국에서 빔을 형성할 때 내부 빔과 외부 빔으로 나누어 두 단계로 빔을 형성하는 것을 말한다. 여기서 외부 빔은 채널의 확률적 정보만을 가지고 설계되고 내부 빔은 외부빔과 실제 채널이 곱해진 채널 정보를 추정하여 이를 기반으로 제로포싱 기법으로 설계된다. 본 논문에서는 내부 빔은 간단한 제로포싱 빔이라 가정하고 확률적인 채널 정보만을 가지고 외부 빔을 설계하는 방법을 다룬다. 먼저, 평균적인 신호 대비 간섭누설 더하기 잡음비의 하한 경계를 유도하였고, 이를 최대화하는 문제가 기존의 기계 학습 및 선형구별 해석 분야에서 잘 알려진 Trace quotient problem (TQP) 문제로 귀결된다는 것을 보였다. 또한, 이 문제의 최적해를 구하는 알고리즘을 제시하고 수렴성을 증명하였으며 기존에 연구된 알고리즘들 대비 데이터 전송량 측면에서 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 보였다. 논문의 네 번째 부분에서는 세 번째 부분에서 제안된 두 단계 빔설계 방법을 확률적 채널 정보의 오차가 존재하는 환경에서 고려하였다. 세 번째 부분에서 제안된 두 단계 빔 설계 방식을 무선 통신 시스템에 적용하려면 기지국에서 정확한 채널 공분산 행렬 정보를 요구한다. 따라서 채널 공분산 행렬의 추정 오차가 존재할 수 밖에 없는 실제 환경에서 성능저하가 발생할 가능성이 있다. 이에 논문의 네 번째 부분에서는 이를 보완하고자 최악의 경우를 고려한 Lagrangian duality 방법을 이용하여 채널 공분산 행렬의 추정 오차에 강인한 두 단계 빔 설계 방법을 제안하였다. 그리고 제안된 강인한 두 단계 빔 설계 방식이 채널 공분산 행렬을 정확하게 알고있을경우에는 논문의 세 번째 부분에서 제안된 방법과 동일한 성능을 보이고, 추정 오차가 존재하는 경우에는 더 좋은 성능을 나타냄을 보였다.