On the performance of cooperative diversity in infrastructure-based networks with multiple relays = 셀룰러망에서 다중릴레이를 이용한 cooperative 릴레이 전송

국문 초록 (Abstract)

최근 셀룰러망에서 고속의 데이터전송과 셀 커버리지 확대를 위해 릴레이를 이용한 전송방식에 대한 연구, 특히 릴레이간의 cooperative 전송에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. Cooperative 릴레이 전송은 기지국에서 보낸 신호와 릴레이들이 보내는 신호를 단말기에서 수신하여 공간 다이버시티 이득을 통한 수신 SNR 이득을 얻을 수 있는 방식이다.본 논문에서는 릴레이 전송방식으로 cooperative 릴레이 전송에 필요한 추가적인 채널 피드백 정보에 따라 다음과 같이 다섯 가지의 전송방식을 고려하였다. 모든 채널의 정보를 필요로 하는 coherent beamforming 전송방식과 optimum selection 전송방식, 부분적인 채널 정보를 필요로 하는 first hop selection 전송방식과 second hop selection 전송방식, 그리고 채널정보가 필요없는 Alamouti-based 전송방식을 고려하였다. 이들 다섯가지 전송방식의 성능은 outage 확률에 따른 다이버시티 차수와 채널 용량 관점에서 분석하였다.릴레이의 모델은 amplify-and-forward(AF) 릴레이와 decode-and-forward(DF) 릴레이로 나누어 사용하였다. AF 릴레이의 경우 coherent beamforming 전송방식과 optimum selection 전송방식 그리고 Alamouti-based 전송방식을 사용할 때 2 차의 다이버시티 이득을 얻을 수 있었다. 반면에 DF 릴레이의 경우 optimum selection 전송방식일 경우에만 2 차의 다이버시티 이득을 얻을 수 있었다. 추가적으로 시스템 레벨의 모의 실험을 통해 outage 확률과 평균 채널 용량을 분석하였다. 또한 cooperative 릴레이 전송방식과 같은 수의 안테나를 사용하는 단순 MIMO 릴레이 전송방식과의 성능을 비교하였다. AF릴레이의 경우 단일 안테나를 가진 두 개의 릴레이를 이용한 cooperative 릴레이 전송방식이 두 개의 안테나를 가진 릴레이 하나를 이용한 단순 MIMO 릴레이 전송에 비해 수신 SNR이 높게 나타났다. DF 릴레이의 경우에는 두 개의 안테나를 가진 릴레이 하나를 이용한 단순 MIMO 릴레이 전송이 단일 안테나를 가진 두 개의 릴레이를 이용한 cooperative 릴레이 전송방식에 비해 더 큰 공간 다이버시티 이득을 얻을 수 있기 때문에 더 높은 수신 SNR을 얻을 수 있었다. 또한 전송 안테나가 4개로 증가한 경우에도 릴레이 모델에 따른 성능의 특성이 유사하게 나타남을 모의실험을 통해 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently there has been increasing interest in the concept of augmenting the infrastructure-based networks with relays in order to provide high data rate and expand service coverage in a cost efficient way. One of the well known concepts in relay networks is the combination of cooperative diversity and relaying. The concept of cooperative diversity promise to offers the benefits of spatial diversity gains. The idea of cooperative relaying is to provide received signal-to-noise ratio (SNR) gain by combining the signals from source and relays at the destination.In this thesis, two kinds of combining schemes are considered, which are maximal-ratio-combining (MRC) based transmission scheme and selection-combining (SC) based transmission scheme. MRC based transmission scheme can be categorized into coherent beamforming transmission and Alamouti based transmission, and SC based transmission scheme contains optimum selection transmission, the first hop selection transmission, and the second hop selection transmission. The performance characterizations about these schemes are developed in high SNR regime in terms of outage events and associated outage probabilities, which measure robustness of the transmissions to fading.The performance of transmission schemes is compared in two relay models, which are amplify-and-forward (AF) relay model and decode-and-forward (DF) relay model. In AF relay model, MRC based transmission schemes and the optimum selection scheme of SC transmission scheme achieve the second order diversity gain. On the other hand, only the optimum selection scheme of SC based transmission scheme offers the second other diversity gain for DF relay model. Besides, two more scenarios are considered, since relay channel with multi-antennas can be translated into two different channel models: multi-relays with single antenna model and single relay with multi-antennas model. For AF relay, the two relays with one antenna model is advantageous in terms of SNR gain by reducing the probability of deep fading condition. For DF relay, one relay with two antennas model provides larger diversity gain than that of two relays with one antenna.