본 논문은 모바일 사용자의 신뢰성 향상을 위하여 기지국의 범위 내에 소형 기지국들을 추가적으로 사용하여 전송 다이버시티 이득을 제공하는 방법을 제안한다. 기존의 기지국은 기지국 셀 내에 위치한 소형 기지국들을 중계기로 이용한 협력 통신 기법을 적용하고 전송 다이버시티 이득을 얻기 위한 신호를 구성한다. 모바일 사용자는 결과적으로 기존의 기지국과 릴레이 역할의 소형 기지국들로부터 다중의 채널을 통하여 신호를 수신 받을 수 있게 되고, 이때 수신된 신호들은 전송 다이버시티 기법이 적용됨으로써 신뢰성이 크게 향상 될 수 있다.
본 논문에서는 복호 후 재전송 기반의 중계기 시스템에서 협력 다이버시티와 재머를 사용했을 때의 보안 불능 확률을 연구한다. 협력 다이버시티를 얻기 위해서 수신자와 도청자에서 MRC 기법을 사용한다. MRC 기법을 사용하기 위해서 송신자와 수신자, 송신자와 도청자 사이의 직접 링크를 사용한다. 보안용량을 증가시키기 위해서 의도적인 잡음 신호를 발생 시키는 재머를 사용한다. 재머는 의도적인 잡음을 발생시켜 도청자의 채널 품질을 떨어뜨리고 물리 계층 보안이 실현될 수 있도록 돕는다. 보안 성능을 평가하기 위해서 보안 불능 확률이 사용된다. 시스템은 레일리 페이딩 채널 하에 있다고 가정한다.
통신 시스템에서 수신 성능을 향상시키는 방법으로 MIMO 기술이 활발히 연구되고 있다. 하지만 최근 소형화되어 가는 대부분의 무선 단말기는 사이즈, 비용, 하드웨어의 복잡성 등의 이유로 적용할 수 있는 안테나의 개수에 한계를 가진다. 이에 따라 개발된 협력통신은 단일 안테나를 가지는 다수의 단말기들이 가상의 MIMO 환경을 구현함으로써 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 하지만 협력통신은 다이버시티를 얻기 위해 스펙트럼 효율성을 저하시키며, 이를 극복할 수 있는 방법으로 증분 중계기법을 이용한다. 본 논문에서는 증분 중계기법을 이용하는 다양한 시스템 모델을 고려하며, 고려된 시스템 모델이 최적의 성능을 얻을 수 있는 중계기 위치를 연구한다.
본 논문에서는 SC-FDMA(Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) 기반 상호협력 릴레이 시스템에서 MS(Mobile Station)와 RS(Relay Station)가 서로 다른 DFT 확산 크기를 갖는 제 적용 가능한 두 가지의 수신 다이버시티 결합 기법들을 제안한다. 첫번째 기법인 simplified-MRC (5-MRC) 기법은 추정된 채널 가중치와 SC-FDMA 신호 검출에 의해 얻은 초기 검출치를 사용하여 시간 영역에서 다이버시티 결합한다. 두번째 기법인 interference rejection-MRC (IR-MRC) 기법은 수신단에서 DFT 확산 길이를 조절하여 주파수 영역에서 다이버시티 결합한다. 모의 실험을 통하여 본 논문에서 제안된 수신 다이버시티 결합 기법들이 ZF(Zero Forcing) 검출 방식을 이용한 기존 MRC 기법과 비교하여 크게 성능 이득이 있음을 보인다.
여러 개의 섹터에 존재하는 안테나들로부터 협력적으로 신호를 전송 받는 다수의 사용자를 시간축에서 선택하는 스케쥴러의 성능을 시스템 전체 성능과 평등성 지표의 관점에서 개선하기 위하여 섹터 간의 협력을 고려할 수 있다. 기존 스케쥴러는 단일 셀에서의 사용자를 선택하는 방식으로 평등성 지표의 향상만을 고려하였으나 제안하는 섹터 간 협력 비례적 평등 스케쥴러는 동시 전송 사용자들 간의 채널의 직교성을 고려함으로써 시스템 전체 성능과 하위 사용자의 성능을 개선할 수 있다. 본 논문에서는 총 3 개의 인접한 섹터로 이루어진 분산 다중 안테나 시스템에 스케쥴러를 적용하고 그 성능을 분석한다. 섹터 간 협력 비례적 평등 스케쥴러는 각 섹터에 존재하는 사용자들의 채널 직교성을 활용하는 동시에 채널 변화 속도가 빨라짐에 따른 다이버시티 효과를 이용하여 시스템 전체 성능을 크게 향상시킨다. 또한 이 방식은 하위 사용자 성능이 우수한 수정된 협력 최대-최소 평등 스케쥴러의 하위 사용자 성능의 최고 99%의 성능을 달성한다.
무선 센서 네트워크는 전력 및 주파수 사용이 매우 제한적임에도 불구하고, 고용량의 데이터를 고속으로 전송할 수 있는 통신 시스템 개발이 요구되어지고 있다. 협력 통신 시스템은 공간 다이버시티의 획득을 통해 통신 전력을 감소시킬 수 있다. 기존의 협력 통신 시스템에서 하나의 중계 노드가 하나의 센서 노드의 데이터 전송을 도와주는 것을 대신하여 본 논문에서는 하나의 중계 노드가 M개의 센서 노드의 데이터 전송을 돕는 통신 시스템과 ARQ 기반의 중계기 선택 알고리즘을 제안한다. 제안한 시스템은 기존의 협력통신 시스템보다 높은 다이버시티차수를 획득함과 동시에 주파수 대역, 전력을 낮출 수 있다. 목적지 노드에서는 기존의 협력통신과 같은 신호 결합기법 없이 재전송된 데이터만을 고려하여 원 신호를 복구하기 때문에 목적지 노드에서의 복잡도를 대폭 낮출 수 있다. 마지막으로 제안한 프로토콜을 레일리 페이딩과 AWGN를 고려한 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 BER 성능을 검증하였다.
무선통신에서 다중안테나를 사용하지 않고 다이버시티 이득을 얻기 위한 대안으로 협력 통신 기법이 개발되어 왔다. 하지만 대부분의 협력기법들은 릴레이에 신호를 전송하는 과정에서 delay 가 발생하게 되어 전송률이 감소하는 단점이 있다. 본 논문에서는 OFDMA 시스템에서 feedback 정보를 이용하는 기법을 사용하여 전송 손실이 발생하지 않으면서 기존의 MISO(multi input multi output)시스템과 비슷한 성능을 갖는 새로운 협력모델을 제안한다. 제안된 기법은 bit error rate(BER) 관점에서 평가되고 협력하는 사용자와의 채널이 보장되면 기존의 MISO 기법과 비슷한 성능을 보이는 것을 보여준다.
MIMO 기술은 데이터 전송률을 증대시키고 수신 성능을 향상시킬 수 있는 다중 안테나 기술로써 각광받아왔다. 그러나 단말 크기의 제한으로 인하여 구현에 큰 어려움이 따르게 되었고 이를 해결하기 위해서 하나의 안테나를 갖고 있는 단말간 서로 협력(cooperation) 하여 데이터 전송률을 높이고 수신 성능을 향상시키기 위한 연구가 논의되고 있다. 특히 ad-hoc 이나 mesh 네트워크에서의 다중 홉 기술을 기반으로 단말간 서로 협력하여 채널 용량을 늘리고 수신 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행 중이다. 본 고에서는 다중 홉 중계 기술에 대한 기본적인 개념과 협력 통신 기술, 그리고 IEEE 802.16j 표준화 동향에 대해 살펴본다. 이론적인 채널 용량 분석과 중계(relay)의 목적에 대해 알아보고 중계 기법에 따른 채널 용량을 분석한다. 더 나아가 다중 홉 중계 전송 기법의 성능을 분석하고 다중 홉 지원을 위한 표준화 동향 및 프레임 구조를 알아본다. 마지막으로 다이버시티 이득과 다중화 이득을 얻을 수 있는 협력통신 기술에 대해 살펴본다.
송신국 (Source) 과 릴레이 사이의 중계 링크에서 발생한 오류는 복호 후 전달(decode-and-forward, DF) 릴레이 시스템의 성능을 제한하고 릴레이와의 협력으로 얻을 수 있는 최대 다이버시티 이득을 얻지 못 하도록 한다. 또한, 전체 복호 후 전달 릴레이 시스템의 오류 확률은 릴레이와 수신국 (destination)에서 발생한 에러의 합으로 표현되므로 최대 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 중계 링크의 오류 확률은 수신국에서 오류 전파 없이 maximum ratio combining (MRC)을 적용한 오류 확률보다 작아야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 릴레이의 위치 범위에 릴레이가 위치하게 되면 최대 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 본 논문에서는 최대 다이버시티 이득을 얻으면서 릴레이의 전송파워를 최소화하는 위치를 정하므로 최대 다이버시티 이득을 얻는 다는 전제하에서 전체 시스템이 최소의 파워를 사용할 수 있도록 한다. 이를 입증하기 위해 본 논문은 전체 오류 확률의 분석과 모의실험들을 수행 한다.
본 논문은 협력 무선 통신 시스템에서 역방향 링크의 제한된 피드백 채널을 통해 AT(Access Terminal)로부터 전달된 부분적인 채널 정보만을 이용하여, 인접 BTS(Base Transceiver Station)에 의한 타 셀 간섭을 효과적으로 억제하는 협력 공간 분할 다중 접속 기술을 제안하였다. 제안하는 협력 공간 분할 다중 접속 기술에서, AT는 각 링크별로 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화 하는 최적의 전송 모드를 선택하고 이를 피드백하며, 클러스터 스케줄러는 각 전송 모드별로 동일 전송 모드를 선택하는 AT들에 대해 스케줄링을 수행하고, 최대 스케줄링 우선 순위를 제공하는 클러스터의 전송 모드와 해당 AT들을 선택한다. 또한, 다중 사용자 다이버시티 이득을 증가시키기 위해, 각 AT별로 다수의 선호하는 전송 모드를 피드백하는 확장된 전송 모드 피드백 방식을 제안하였다. 시뮬레이션을 통해 제안한 기술이 시스템의 상향 링크 피드백의 허용된 용량에 따라 최적의 피드백 방식을 선택함으로써 시스템 전송 용량을 상당히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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