KR101354137B1 - Two-way relaying communication method for improving the communication capacity of multiuser multi-input multi-output cellular communication system using network coding with self-interference - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양방향 중계가 이루어지는 다중 사용자 다중 입출력(multiuser multi-input multi-output) 셀룰러 통신시스템의 통신방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에 있어서, 시스템의 통신용량을 효과적으로 향상시킬 수 있는 다중 사용자 다중 입출력 통신시스템의 통신용량 증대방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a communication method of a multiuser multi-input multi-output cellular communication system in which a bidirectional relay is performed, and more particularly, one base station and one relay including a plurality of transmit and receive antenna systems. In a multi-user multi-input / output cellular communication system consisting of a node and a plurality of communication terminal nodes having a transmitting / receiving antenna, a method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output communication system that can effectively improve the communication capacity of the system. It is about.
또한, 본 발명은, 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에 있어서, 자기 간섭을 통해 네트워크 부호화가 가능하도록 함으로써 효과적으로 시스템의 통신용량을 향상시킬 수 있도록 구성되는 자기 간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법에 관한 것이다.
In addition, the present invention, in the multi-user multi-input / output cellular communication system, multi-user multi-user through the network coding to allow the magnetic interference is configured to effectively improve the communication capacity of the system by enabling network coding through the magnetic interference The present invention relates to a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of an input / output cellular communication system.
종래, 양방향 중계가 이루어지는 통신기술은, 두 개의 통신 노드 사이의 통신이 중계 노드를 통하여 이루어지는 모델로부터 시작되었다.
Conventionally, a communication technique in which a bidirectional relay is performed starts with a model in which communication between two communication nodes is through a relay node.
또한, 이와 같이 중계 노드를 통하여 두 개의 통신 노드 사이의 통신이 이루어지는 경우에는, 격자부호를 이용하여 달성할 수 있는 최대 통신용량을 달성할 수 있다.
In addition, when communication between two communication nodes is performed through the relay node in this way, the maximum communication capacity that can be achieved by using the grid code can be achieved.
즉, 예를 들면, 중계 노드는 하나이고 통신 노드가 2개를 초과하여 다수이면서 다수의 통신 링크가 형성되는 경우에는, 각 노드가 다수의 송수신 안테나 또는 센서(이하 안테나)를 갖추고 있거나, 부호분할 다중 접속이 가능하도록 하면 효율적인 통신용량 증대가 가능하다.
That is, for example, if there are one relay node and more than two communication nodes and many communication links are formed, each node has multiple transmit / receive antennas or sensors (hereinafter referred to as antennas) or code division. Enabling multiple access enables efficient communication capacity increase.
그러나 다수의 송수신 안테나 시스템을 갖추고 있는 한 개의 기지국과, 한 개의 중계 노드 및 한 개의 송수신 안테나를 갖추고 있는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 셀룰러 통신 시스템에 있어서는, 상기한 바와 같은 방법들을 그대로 적용하기 어려워, 효과적으로 통신용량을 향상시킬 수 있는 방법이 알려져 있지 않다.
However, in the cellular communication system composed of one base station having a plurality of transmitting and receiving antenna systems, and a plurality of communication terminal nodes having one relay node and one transmitting and receiving antenna, it is difficult to apply the methods as described above. However, it is not known how to effectively improve the communication capacity.
특히, 예를 들면, 음파를 이용하는 수중 무선통신 시스템 및 VHF를 이용하는 선박 통신 시스템과 같이, 협소한 대역폭으로 인하여 통신 속도가 제한적인 통신 시스템의 경우에는, 다중 입출력 다중 사용자 양방향 중계 기술을 이용하면 통신 거리 확장 및 품질 향상이 가능하다.
In particular, in the case of a communication system in which the communication speed is limited due to a narrow bandwidth, such as, for example, an underwater wireless communication system using sound waves and a ship communication system using VHF, communication using a multi-input multi-input multi-user bidirectional relay technology Distance extension and quality improvement are possible.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 통신시스템의 문제점을 해결하기 위하여는, 한 개의 중계 노드 및 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 셀룰러 통신 시스템에 있어서도 효율적으로 통신용량을 증대시킬 수 있는 새로운 통신방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
Therefore, in order to solve the problems of the conventional communication system as described above, even in a cellular communication system composed of a plurality of communication terminal nodes having one relay node and one transmit / receive antenna, communication capacity can be efficiently increased. It is desirable to provide a new communication method, but there is no device or method that satisfies all such requirements.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 통신시스템의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에 있어서, 시스템의 통신용량을 효과적으로 향상시킬 수 있는 다중 사용자 다중 입출력 통신시스템의 통신용량 증대방법을 제공하고자 하는 것이다.
The present invention is to solve the problems of the conventional communication system as described above, and therefore the object of the present invention is to include one base station and one relay node having a plurality of transmit and receive antenna systems, and one transmit and receive antenna In a multi-user multi-input / output cellular communication system composed of a plurality of communication terminal nodes, to provide a communication capacity increase method of a multi-user multi-input / output communication system that can effectively improve the communication capacity of the system.
즉, 본 발명의 목적은, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신 시스템에 있어서, 자기 간섭을 통해 네트워크 부호화가 가능하도록 함으로써 효과적으로 통신용량을 향상시킬 수 있도록 구성되는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 제공하고자 하는 것이다.
That is, an object of the present invention is to provide a multi-user multi-input / output cellular communication system including one base station having a plurality of transmit / receive antenna systems, one relay node, and a plurality of communication terminal nodes having one transmit / receive antenna. Provides a bidirectional relay communication method for increasing the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference to effectively improve communication capacity by enabling network encoding through self-interference. I would like to.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 전체적인 통신용량을 효과적으로 증대시킬 수 있도록 구성됨으로써, 통신용량을 증가시키기 위해 계속해서 통신설비를 증설해야만 했던 종래의 통신시스템의 문제점을 해결하여 설비투자 비용을 절감할 수 있는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 제공하고자 하는 것이다.
In addition, another object of the present invention is a multi-user multiple input and output consisting of a base station having a plurality of transmit and receive antenna systems, a relay node, and a plurality of communication terminal nodes having a transmit and receive antenna as described above It is configured to effectively increase the overall communication capacity of the cellular communication system, and solves the problem of the conventional communication system, which had to continuously expand the communication facilities to increase the communication capacity, thereby reducing self-interference that can reduce the cost of facility investment. An object of the present invention is to provide a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through allowing network encoding.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, NB개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 기지국 노드와, NV개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 중계 노드 및 1개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 사용자 단말 노드로 구성되며, 기지국과 사용자 단말에서는 중계기로 신호를 각각 전송하고, 상기 중계기에서는 상기 기지국과 상기 사용자 단말로 한꺼번에 신호를 전송하는 과정을 통하여 양방향 중계가 이루어지는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에서, 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법에 있어서, 상기 NB와 상기 NV 중 작은 수에 해당하는 N개의 사용자 단말 노드를 선택하는 선택단계; 상기 기지국 노드에서 상기 중계 노드로의 채널 행렬 및 상기 사용자 단말 노드로부터 상기 중계 노드로의 채널 행렬을 생성하는 채널행렬 생성단계; 상기 사용자 단말 노드들의 수평 부호화(horizontal encoding)을 통하여 상기 기지국 노드에서 k번째 사용자 단말 노드로 전송할 코드워드(codeword) 벡터 및 k번째 사용자 단말 노드에서 기지국으로 전송할 코드워드 벡터를 나타내는 부호화 행렬을 각각 생성하는 부호화 행렬 생성단계; 상기 기지국 노드에서 상기 중계 노드로의 채널 행렬의 간략화된 특이값 분해(Singular Value Decomposition; SVD)를 이용하여, 상기 기지국의 선형 선부호화를 통해 송신신호를 생성하는 기지국 송신신호 생성단계; 상기 사용자 단말 노드의 송신신호를 생성하는 사용자 단말 송신신호 생성단계; 상기 기지국 송신신호 생성단계 및 상기 사용자 단말 송신신호 생성단계에서 구해진 각각의 상기 송신신호에 근거하여 상기 중계 노드에 수신되는 수신신호를 생성하는 수신신호 생성단계; 수평 순차 간섭 제거방식을 이용하여 상기 수신신호 생성단계에서 얻어진 수신신호로부터 각각의 코드워드를 복호하는 복호단계; 및 상기 복호단계에서 얻어진 신호를 상기 중계기에서 각각의 상기 기지국 및 상기 사용자 단말로 송신하고, 상기 기지국과 상기 사용자 단말에서는 각각 자신에게 보내진 신호만을 선별하여 수신하는 통신단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법이 제공된다.
In order to achieve the above object, according to the present invention, a plurality of base stations having one N B antenna system, one relay node having an N V antenna system and one transmitting and receiving antenna A multi-user multi-input / output cellular communication system in which bi-directional relaying is performed through a process of transmitting a signal to a base station and a user terminal, each of which transmits signals to a base station and a user terminal. In the bidirectional relay communication method for increasing the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network coding that allows self-interference, N user terminal nodes corresponding to a smaller number of N B and N V are provided. A selection step of selecting; Generating a channel matrix from the base station node to the relay node and a channel matrix from the user terminal node to the relay node; A codeword vector to be transmitted from the base station node to the k-th user terminal node and a coding matrix representing a codeword vector to be transmitted from the k-th user terminal node to the base station are generated through horizontal encoding of the user terminal nodes. Generating a coding matrix; A base station transmission signal generation step of generating a transmission signal through linear precoding of the base station using simplified singular value decomposition (SVD) of the channel matrix from the base station node to the relay node; A user terminal transmission signal generation step of generating a transmission signal of the user terminal node; A reception signal generation step of generating a reception signal received at the relay node based on each of the transmission signals obtained in the base station transmission signal generation step and the user terminal transmission signal generation step; A decoding step of decoding each codeword from the received signal obtained in the received signal generating step by using a horizontal sequential interference cancellation method; And a communication step of transmitting the signal obtained in the decoding step to each of the base station and the user terminal in the repeater, and selecting and receiving only a signal sent to the base station and the user terminal, respectively. A bidirectional relay communication method is provided for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding that allows self-interference.
여기서, 상기 채널행렬 생성단계는, 상기 기지국 노드에서 상기 중계 노드로의 채널 행렬을 NV×NB 크기의 행렬 HBV로 정의하고, 선택된 k번째 단말 노드로부터 상기 중계 노드로의 Nv×1 크기의 채널 백터를 hMV ,k라 할 때, 상기 단말 노드로부터 상기 중계 노드로의 채널 행렬 HMV를 이하의 수학식으로 정의하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
In the channel matrix generation step, the channel matrix from the base station node to the relay node is defined as a matrix H BV having a size of N V × N B , and N v × 1 from the selected k th terminal node to the relay node. When the channel vector having a size h MV , k , the channel matrix H MV from the terminal node to the relay node is defined by the following equation.
또한, 상기 부호화 행렬 생성단계는, 코드 길이 또는 블록 길이를 D라 할 때, 상기 기지국에서 k번째 사용자 단말 노드로 전송할 1×D 크기의 코드워드(codeword) 벡터를 xB,k라 하고, k번째 사용자 단말노드에서 상기 기지국으로 전송할 1×D 크기의 코드워드 벡터를 xM,k라 할 때, 이하의 수학식에 의해 상기 xB,k와 상기 xM ,k를 수평하게 쌓은 행렬 XB와 XM을 정의하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, when the code length or the block length is referred to as D, the coding matrix generating step may be a codeword vector having a size of 1 × D to be transmitted from the base station to the k-th user terminal node as x B, k , and k th at the user terminal node sends to the base station 1 × d when the code referred to word vector x M, k of size, by the following equation accumulated to the x B, horizontally k and the x M, k matrix x B And X M.
아울러, 상기 기지국 송신신호 생성단계는, 
In addition, the base station transmission signal generating step,
(여기서, Σ는 N×N 대각 행렬이고, V, F는 N개의 직교 열로 구성된다.)
(Where Σ is an N × N diagonal matrix, and V and F are composed of N orthogonal columns.)
더욱이, 상기 사용자 단말 송신신호 생성단계는, 이하의 수학식에 근거하여 송신신호를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Further, the user terminal transmission signal generating step is characterized in that configured to generate a transmission signal based on the following equation.
또한, 상기 수신신호 생성단계는, 이하의 수학식에 근거하여, 상기 기지국 송신신호 생성단계에서 생성된 송신신호 행렬 SB 및 상기 사용자 단말 송신신호 생성단계에서 생성된 송신신호 행렬 SM에 대하여 상기 중계 노드가 수신하는 신호 YV를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
The receiving signal generating step may include the transmitting signal matrix S B generated in the base station transmitting signal generating step and the transmitting signal matrix S M generated in the user terminal transmitting signal generating step based on the following equation. And generate the signal Y V received by the relay node.
(여기서, ZV는 가산성 잡음이다)
Where Z V is additive noise
여기서, 상기 수신신호 생성단계는, 상기 xB ,k와 상기 xM ,k의 평균전력 γB,k와 γM,k가 이하의 수학식에 나타낸 조건을 만족하도록 선택되는 것을 특징으로 한다.
The receiving signal generating step may be selected such that the average powers γ B, k and γ M, k of x B , k and x M , k satisfy the conditions shown in the following equation.
(여기서, PB와 PM,k는 기지국과 k번째 사용자의 최대 송신 전력이고, wk는 W의 k번째 열이다.)
(Where P B and P M, k are the maximum transmit powers of the base station and k-th user, and w k is the k-th column of W).
아울러, 상기 복호단계는, 상기 수신신호 생성단계에서 생성된 수신신호의 채널 행렬 HMV를 이하의 수학식에 의해 직교행렬 Q와 상삼각(upper-triangular) 행렬 U로 QR 분해하고,
In addition, the decoding step, QR decomposition of the channel matrix H MV of the received signal generated in the received signal generating step into an orthogonal matrix Q and an upper-triangular matrix U by the following equation,
상기 수신신호 생성단계에서 얻어진 수신신호 YV에 Ud -1QT를 곱하여 이하의 수학식에 의해 
The received signal Y V obtained in the received signal generating step is multiplied by U d -1 Q T by the following equation
(여기서, Ud는 U에서 대각 원소 이외의 모든 원소를 0으로 하여 만들어진 대각행렬이고, 
Where U d is a diagonal matrix created by U with all elements other than the diagonal element in U,
이하의 수학식에 의해 행렬 G를 정의하고, 상기 G의 대각 원소가 모두 0이 되도록 상기 W를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
A matrix G is defined by the following equation, and W is determined such that the diagonal elements of G are all zero.
더욱이, 상기 복호단계는, 상기 G의 (n, m)번째 성분을 각각 gn ,m이라 할 때, 
Further, the decoding step, when the (n, m) th component of the G is respectively g n , m ,
또한, 상기 복호단계는, xB ,n + xM ,n이 k+1≤n≤N에 대하여 복호되면, 
Further, in the decoding step, when x B , n + x M , n is decoded with respect to k + 1 ≦ n ≦ N,
아울러, 상기 통신단계는, 상기 복호단계에서 얻어진 상기 xB ,k + xM ,k의 심벌을 상기 중계기에서 상기 기지국과 상기 사용자 단말에 각각 전송하고, 상기 기지국과 상기 사용자 단말에서는, 상기 xB ,k + xM ,k의 심벌을 수신하면 자신이 보낸 신호인 xB ,k 또는 xM ,k에 해당하는 성분을 각각 제거하여 자신에게 해당하는 심벌을 구하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
In the communication step, the symbols of x B , k + x M , k obtained in the decoding step are transmitted from the repeater to the base station and the user terminal, respectively, and in the base station and the user terminal, the x B and receiving a symbol of , k + x M , k to obtain a symbol corresponding to itself by removing a component corresponding to the signal x B , k or x M , k that is sent. do.
또한, 본 발명에 따르면, NB개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 기지국 노드와, NV개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 중계 노드 및 1개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 사용자 단말 노드로 구성되며, 기지국과 사용자 단말에서는 중계기로 신호를 각각 전송하고, 상기 중계기에서는 상기 기지국과 상기 사용자 단말로 한꺼번에 신호를 전송하는 과정을 통하여 양방향 중계가 이루어지는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위하여, 상기에 기재된 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 이용하여 통신을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 통신시스템이 제공된다.
In addition, according to the present invention, it is composed of one base station node having an N B antenna system, one relay node having an N V antenna system, and a plurality of user terminal nodes having one transmit / receive antenna, In order to increase the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system in which a base station and a user terminal each transmit a signal to a repeater, and in the repeater, a signal is simultaneously transmitted to the base station and the user terminal. A communication system is provided that is configured to perform communication using a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding that allows for self-interference as described above.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에 있어서 통신용량을 효과적으로 향상시킬 수 있는 다중 사용자 다중 입출력 통신시스템의 통신용량 증대방법을 제공을 제공할 수 있다.
As described above, according to the present invention, a multi-user multi-input / output cellular communication system composed of one base station having a plurality of transmit / receive antenna systems, one relay node, and a plurality of communication terminal nodes having one transmit / receive antenna The present invention can provide a method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output communication system that can effectively improve communication capacity.
즉, 본 발명에 따르면, 양방향 중계가 이루어지는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신 시스템에 있어서, 네트워크 부호화가 가능하도록 함으로써 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 전체적인 통신용량을 효과적으로 증대시킬 수 있도록 구성되는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 제공함을 제공할 수 있다.
That is, according to the present invention, in a multi-user multi-input / output cellular communication system in which a bidirectional relay is performed, self-interference is configured to effectively increase the overall communication capacity of the multi-user multi-input / output cellular communication system by enabling network encoding. It is possible to provide a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 전체적인 통신용량을 효과적으로 증대시킴으로써, 통신용량을 증가시키기 위해 계속해서 통신설비를 증설해야 했던 종래의 통신시스템의 문제점을 해결하여, 설비투자 비용을 절감할 수 있는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 제공할 수 있다.
In addition, according to the present invention, by effectively increasing the overall communication capacity of the multi-user multi-input / output cellular communication system as described above, to solve the problem of the conventional communication system that had to continue to expand the communication facilities to increase the communication capacity In addition, the present invention can provide a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference to reduce equipment investment cost.
도 1은 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 적용하기 위한 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신 환경에서의 양방향 중계 통신시스템 모델의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다. 1 is a bidirectional relay communication in a multi-user multi-input / output cellular communication environment for applying a bi-directional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference according to the present invention. It is a figure which shows roughly the whole structure of a system model.
2 is a flowchart schematically illustrating the overall configuration of a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding allowing self-interference according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific embodiment of a bi-directional relay communication method for increasing the communication capacity of the multi-user multi-input and output cellular communication system through the network coding to allow self-interference according to the present invention will be described.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
In the following description of the embodiments of the present invention, parts that are the same as or similar to those of the prior art, or which can be easily understood and practiced by a person skilled in the art, It is important to bear in mind that we omit.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에 있어서는 시스템의 통신용량을 효과적으로 향상시킬 수 있는 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법에 관한 것이다.
That is, the present invention, as will be described later, multi-user multi-input / output cellular communication consisting of one base station having a plurality of transmit and receive antenna systems, one relay node, and a plurality of communication terminal nodes having one transmit and receive antenna In the system, to increase the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference to solve the problems of the prior art, in which a method for effectively improving the communication capacity of the system has not been proposed. It relates to a two-way relay communication method.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신 시스템에 있어서, 자기 간섭을 통해 네트워크 부호화가 가능하도록 함으로써 효과적으로 통신용량을 향상시킬 수 있는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법에 관한 것이다.
In addition, the present invention, as will be described later, multi-user multi-input / output cellular communication consisting of one base station having a plurality of transmit and receive antenna systems, one relay node, and a plurality of communication terminal nodes having one transmit and receive antenna In a system, a bidirectional relay communication method for increasing the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding that allows self-interference to effectively improve communication capacity by enabling network encoding through magnetic interference. It is about.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 전체적인 통신용량을 효과적으로 증대시키도록 구성됨으로써, 통신용량을 증가시키기 위해 계속해서 통신설비를 증설해야만 했던 종래의 통신시스템의 문제점을 해결하여, 설비투자 비용을 절감할 수 있는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법에 관한 것이다.
In addition, the present invention, as will be described later, multi-user multi-input and output cellular communication consisting of a base station having a plurality of transmit and receive antenna systems, one relay node, and a plurality of communication terminal nodes having a transmit and receive antenna It is configured to effectively increase the overall communication capacity of the system, thereby solving the problem of the conventional communication system, which had to continuously increase the communication facilities in order to increase the communication capacity, thereby allowing self-interference to reduce the equipment investment cost. The present invention relates to a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, with respect to the preferred embodiment of the bi-directional relay communication method for increasing the communication capacity of the multi-user multi-input / output cellular communication system through the network encoding to allow self-interference according to the present invention as described above It demonstrates in detail.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 적용하기 위한 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신 환경에서의 양방향 중계 통신시스템 모델의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
First, referring to FIG. 1, FIG. 1 is a multi-user multi-input / output method for applying a bi-directional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding allowing self-interference according to the present invention. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of a bidirectional relay communication system model in a cellular communication environment.
즉, 이하의 설명에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, NB개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 기지국 노드와, NV개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 중계 노드 및 1개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신단말 노드로 구성되고, 각각의 단말에서 중계기로 신호를 전송하는 잔말기 전송단계(단계 1)와, 중계기에서 각각의 단말로 한번에 신호를 전송하는 중계기 전송단계(단계 2)의, 총 2단계의 과정으로 양방향 중계가 이루어지는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템을 예로 하여 본 발명을 설명한다.
That is, in the following description, as shown in FIG. 1, a plurality of base stations having one N B antenna system, one relay node having N V antenna systems, and one transmitting and receiving antenna are provided. A total of two steps, consisting of a communication terminal node, a terminal transmission step (step 1) of transmitting a signal from each terminal to a repeater and a transmitter transmission step (step 2) of transmitting a signal from the repeater to each terminal at a time The present invention will be described by taking a multi-user multi-input / output cellular communication system in which a bi-directional relaying is performed as an example.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 시스템에 있어서, 선택된 단말의 개수를 N이라고 하면, N은 NB와 NV 중에서 작은 수이다.
More specifically, in the system shown in Fig. 1, when the number of selected terminals is N, N is the smaller number among N B and N V.
또한, 복소 벡터 
Complex vector
여기서, Re(ㆍ)과 Im(ㆍ)은 각각 복소수의 실수와 허수 부분을 의미하고, (ㆍ)T는 전치행렬을 의미한다.
Here, Re (·) and Im (·) denote real and imaginary parts of complex numbers, respectively, and (·) T means transpose matrix.
아울러, 다중 입출력을 표시하는 채널 행렬은 아래 첨자에 송신과 수신을 나타내어 표기하며, 즉, 기지국에서 중계 노드로의 채널 행렬은 NV×NB 크기의 행렬 HBV이고, 선택된 k번째 단말 노드로부터 중계 노드로의 채널 벡터는 Nv×1 크기의 벡터 hMV ,k이다.
In addition, a channel matrix indicating multiple inputs and outputs is indicated by subscripts indicating transmission and reception, that is, a channel matrix from a base station to a relay node is a matrix H BV having a size of N V × N B , and is selected from the selected kth terminal node. The channel vector to the relay node is a vector h MV , k having a size of N v × 1.
따라서 이러한 hMV ,k를 수평으로 쌓아서, 이하의 [수학식 1]과 같이 채널 행렬 HMV를 정의한다.
Accordingly , by stacking these h MV , k horizontally, the channel matrix H MV is defined as shown in Equation 1 below.
[수학식 1] [Equation 1]
또한, 본 발명에서는, 모든 채널 행렬 값들은 한 프레임의 시간 동안 변하지 않는다고 가정한다.
Further, in the present invention, it is assumed that all channel matrix values do not change for the time of one frame.
계속해서, 코드 길이 또는 블록 길이가 D라 할 때, 기지국에서의 NB×D 크기의 송신신호 행렬을 SB라고 하고, k번째 사용자의 1×D 크기의 송신신호 벡터를 sM ,k라고 하면, sM ,k를 수평하게 쌓아서 단말들의 N×D 차원 신호 행렬 SM을 이하의 [수학식 2]와 같이 정의한다.
Subsequently, when the code length or block length is D, the transmission signal matrix of size N B × D at the base station is referred to as S B , and the transmission signal vector of size 1 × D of the k-th user is referred to as s M , k . Then, s M , k are stacked horizontally to define the N × D dimensional signal matrix S M of the terminals as shown in Equation 2 below.
[수학식 2] &Quot; (2) "
아울러, 가산성 잡음 채널 모델의 경우에, 상기한 단계 1에서 중계 노드에서 받은 신호 YV는 이하의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
In addition, in the case of the additive noise channel model, the signal Y V received at the relay node in step 1 may be expressed as Equation 3 below.
[수학식 3] &Quot; (3) "
여기서, 상기한 [수학식 3]에 있어서, ZV는 중계 노드의 가산성 잡음이다.
In Equation 3, Z V is additive noise of the relay node.
또한, 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법에 있어서, 단말 노드들은 서로 협력 통신이 불가하므로 수평 부호화(horizontal encoding)를 수행한다.
In addition, in a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding allowing self-interference according to the present invention, since terminal nodes cannot cooperatively communicate with each other, horizontal encoding (horizontal encoding) ).
더 상세하게는, 기지국에서 k번째 사용자 단말 노드로 전송할 1×D 크기의 코드워드(codeword) 벡터를 xB ,k라 나타내고, k번째 사용자 단말노드에서 기지국으로 전송할 1×D 크기의 코드워드 벡터를 xM ,k라 표시하면, xB ,k와 xM ,k를 수평하게 쌓은 행렬 XB와 XM을 이하의 [수학식 4]와 같이 정의한다.
More specifically, a 1 × D codeword vector to be transmitted from the base station to the k-th user terminal node is represented by x B , k and a 1 × D codeword vector to be transmitted from the k-th user terminal node to the base station. to be defined as M x, k d, x B, x and k M, the less the accumulated levels of k matrix x B and x M [equation 4] is shown.
[수학식 4] &Quot; (4) "
계속해서, ∑는 M×N 대각 행렬이고, V, F는 N개의 직교열로 구성되는 것으로 할 때, HBV의 간략화된 특이값 분해(SVD: Singular Value Decomposition)를 HBV = V∑FH와 같이 표시하면, 본 발명에 따른 기지국의 선형 선부호화 방법은 이하의 [수학식 5]와 같다.
Subsequently, Σ is a M × N diagonal matrix, V, F is to be composed of N orthogonal columns, the singular values of H BV simplified decomposition (SVD: Singular Value Decomposition) of H = BV VΣF H In this case, the linear precoding method of the base station according to the present invention is as shown in Equation 5 below.
[수학식 5] &Quot; (5) "
여기서, [수학식 5]에 있어서, W는 선부호화 행렬이다.
Here, in [Equation 5], W is a precoding matrix.
또한, 사용자 단말 노드는 선부호화를 하지 않고 이하의 [수학식 6]과 같이 송신 신호를 생성한다.
In addition, the user terminal node generates a transmission signal as shown in Equation 6 below without precoding.
[수학식 6] &Quot; (6) "
아울러, xB ,k와 xM ,k의 평균전력 γB,k와 γM,k는 이하의 [수학식 7]과 같은 조건을 만족하도록 선택된다.
In addition, the average powers γ B, k and γ M, k of x B , k and x M , k are selected to satisfy the following condition (Equation 7).
[수학식 7] [Equation 7]
여기서, [수학식 7]에 있어서, PB와 PM ,k는 기지국과 k번째 사용자의 최대 송신 전력이고, wk는 W의 k번째 열이다.
In Equation 7, P B , P M , k are maximum transmission powers of the base station and the k-th user, and w k is the k-th column of W.
따라서 상기한 단계 1에서, 중계 노드가 수신하는 신호는 이하의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
Therefore, in step 1, the signal received by the relay node may be represented by Equation 8 below.
[수학식 8] [Equation 8]
상기한 [수학식 8]에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서, 상기한 단계 1은 HMV를 등가 채널 행렬로 가지면서, 자기 간섭 성분 (HBVFW - HMV)XB를 가진다.
As shown in Equation 8, in the embodiment according to the present invention, step 1 has the magnetic interference component (H BV FW-H MV ) X B while having H MV as an equivalent channel matrix. .
즉, 이러한 자기 간섭 성분을 0으로 만드는 것이 종래의 제로 포싱 기법이 고, 본 발명에서는, 이러한 자기 간섭 성분을 0으로 만드는 것이 아니라 성취율을 최적화하는데 사용한다.
That is, it is a conventional zero forcing technique to make such a magnetic interference component zero, and in the present invention, the magnetic interference component is used to optimize the achievement rate instead of making it zero.
더 상세하게는, 상기한 바와 같이, 각각의 코드워드들은 수평하게 부호화되어 있으므로, 수평하게 순차 간섭 제거방식으로 복호한다.
More specifically, as described above, since each codeword is horizontally coded, the codewords are horizontally decoded in a sequential interference cancellation scheme.
따라서 이러한 수평 순차 간섭 제거를 위해, 이하의 [수학식 9]와 같이, 행렬 HMV를 QR 분해한다.
Therefore, in order to remove such horizontal sequential interference, the matrix H MV is QR-decomposed as shown in Equation 9 below.
[수학식 9] &Quot; (9) "
여기서, [수학식 9]에 있어서, Q는 직교 행렬이고, U는 상삼각(upper-triangular) 행렬이다.
Here, in [Equation 9], Q is an orthogonal matrix, and U is an upper-triangular matrix.
또한, 단계 1에서 복호하고자 하는 것은 XB와 XM의 각각의 코드워드들이 아니라, XB와 XM의 더해진 심벌 XB + XM이다.
Further, it is to be decoded in the step 1, the symbol X B + X M added as well to each of the code words in X B and X M, X B and X M.
따라서 수신 신호 YV에 Ud-1QT를 곱하면 이하의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
Therefore, multiplying the received signal Y V by Ud -1 Q T can be expressed as Equation 10 below.
[수학식 10] &Quot; (10) "
여기서, [수학식 10]에 있어서, Ud는 U에서 대각 원소 이외의 모든 원소를 0으로 해서 만들어진 대각행렬이고, 
Here, in [Equation 10], Ud is a diagonal matrix formed by setting all elements other than diagonal elements in U to 0,
또한, [수학식 10]에 있어서, Ud-1U - I는 대각 원소가 모두 0인 엄격한 상삼각 행렬이므로, (Ud-1U - I)(XB + XM)은 순차적 간섭 제거 과정에서 제거된다.
In addition, in Equation 10, Ud -1 U-I is a strict upper triangular matrix with all diagonal elements 0, so that (Ud -1 U-I) (X B + X M ) is a sequential interference cancellation process. Removed.
즉, 본 발명에서는, 상기한 [수학식 10]에서 (QTHBVFW - U)XB 성분을 자기 간섭으로 만들고자 하는 것이다.
That is, the present invention intends to make the (Q T H BV FW -U) X B component by the magnetic interference in Equation 10 above.
이를 위해서는, (QTHBVFW - U)XB가 신호 성분인 (XB + XM)과 통계적으로 독립이어야 하는데, 이를 위한 과정은 다음과 같다.
To this end, (Q T H BV FW -U) X B must be statistically independent of the signal component (X B + X M ), which is performed as follows.
먼저, 이하의 [수학식 11]과 같이 행렬 G를 정의한다.
First, the matrix G is defined as shown in Equation 11 below.
[수학식 11] &Quot; (11) "
여기서, G와 U의 (n, m)번째 성분을 각각 gn ,m과 un ,m이라고 하면, 
Here, if the (n, m) th components of G and U are g n , m and u n , m , respectively,
[수학식 12] &Quot; (12) "
여기서, [수학식 12]에 있어서, 
Here, in [Equation 12],
따라서 xB ,n + xM ,n이 k+1≤n≤N에 대해서 복호되면, k번째 복호는, 상기한 [수학식 12]로부터, 이하의 [수학식 13]과 같이 간섭이 제거된 신호로 이루어진다.
Therefore , if x B , n + x M , n is decoded with respect to k + 1 ≦ n ≦ N, the k-th decoding is performed by eliminating interference from the above Equation 12 as shown in Equation 13 below. Consists of signals.
[수학식 13] &Quot; (13) "
여기서, [수학식 13]과 같이 복호하는 방법에 있어서, xB ,n + xM ,n이 k+1≤n≤N에 대해서 오류 없이 완벽하게 복호 되었다면, 상기한 [수학식 13]은 [수학식 12]로부터 이하의 [수학식 14]와 같이 표현될 수 있다.
Here, in the decoding method as shown in [Equation 13], if x B , n + x M , n is perfectly decoded without error for k + 1 ≦ n ≦ N, Equation 13 described above is [ Equation 12 may be expressed as Equation 14 below.
[수학식 14] &Quot; (14) "
또한, [수학식 14]로부터, [수학식 13]과 같이 주어지는 xB ,k + xM ,k에 대한 복호기 입력 신호의 실효 잡음 ek는 잡음과 자기 간섭 성분에 의해서 이하의 [수학식 15]와 같다.
Further, from [Equation 14], the effective noise e k of the decoder input signal for x B , k + x M , k given by [Equation 13] is expressed by Equation 15 below by noise and magnetic interference components. Is the same as
[수학식 15] &Quot; (15) "
아울러, xB ,k와 xM ,k를 격자 부호로 부호화하고, 가산성 백색 가우시안 잡음의 평균을 0, 분산을 1이라고 가정하면, 상기한 [수학식 13]에 주어진 복호기 입력 신호를 이용하여 xB ,k + xM ,k에 대하여 모호성 복호(ambiguity decoder)를 수행함으로써, xB ,k와 xM ,k 각각에 대한 성취율 RBV ,k와 RMV ,k를 이하의 [수학식 16]과 같이 나타낼 수 있다.
In addition, assuming that x B , k and x M , k are encoded by a lattice code, assuming that the average of additive white Gaussian noise is 0 and the variance is 1, the decoder input signal given in Equation 13 above is used. By performing an ambiguity decoder on x B , k + x M , k , the achievement rates R BV , k and R MV , k for x B , k and x M , k, respectively, are given by Equation 16 ]
[수학식 16]&Quot; (16) "
따라서 상기한 바와 같이, W를 결정하는 방법으로서, G의 대각 원소가 모두 0이라는 제약 조건과 [수학식 7]로 표현되는 전력에 대한 제약 조건에 대해서 [수학식 16]으로 주어지는 성취율을 최대로 하도록 W를 결정할 수 있다.
Therefore, as described above, as a method for determining W, the achievement rate given by Equation 16 is maximized for the constraint that all diagonal elements of G are 0 and the constraint on power represented by Equation 7 is maximized. W can be determined.
또한, 단계 2까지 고려하여, 시스템 전체의 성취율을 최대로 하도록 W를 결정할 수도 있다.
In addition, considering step 2, W may be determined to maximize the achievement rate of the entire system.
즉, 단계 2에서는, 단계 1에서 얻은 xB ,k + xM ,k의 심벌을 기지국과 사용자 단말 노드에 각각 전송하도록 구성함으로써, 기지국은 단계 1에서 기지국 자신이 보낸 신호 xB ,k를 알고 있고, k번째 사용자 단말 노드는 단계 1에서 k번째 단말 노드 자신이 보낸 신호 xM ,k를 알고 있으므로, xB ,k + xM ,k를 중계 노드로부터 수신하면 단계 1에서 자신이 보낸 신호를 제거하여 원하는 심벌을 얻을 수 있고, 이를 통해 각각의 네트워크에 대한 부호화(network coding)가 가능해진다.
That is, in step 2, by configuring the symbols of x B , k + x M , k obtained in step 1 to the base station and the user terminal node, respectively, the base station knows the signal x B , k sent by the base station itself in step 1. Since the k-th user terminal node knows the signal x M , k sent by the k-th terminal node itself in step 1, when x b , k + x M , k is received from the relay node, the k-th user terminal node receives the signal sent by itself in step 1 The desired symbol can be removed to obtain a desired symbol, thereby enabling network coding for each network.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 구현할 수 있다.
Accordingly, as described above, a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding that allows self-interference according to the present invention can be implemented.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
That is, referring to FIG. 2, FIG. 2 is a flowchart schematically illustrating the overall configuration of a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding that allows self-interference according to the present invention. to be.
더 상세하게는, 본 발명에 따른 통신방법은, 도 2에 나타낸 바와 같이, NB개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 기지국 노드와, NV개의 안테나 시스템을 구비하는 1개의 중계 노드 및 1개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 사용자 단말 노드로 구성되며, 기지국과 사용자 단말에서는 중계기로 신호를 각각 전송하고, 상기 중계기에서는 상기 기지국과 상기 사용자 단말로 한꺼번에 신호를 전송하는 과정을 통하여 양방향 중계가 이루어지는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에 있어서, 먼저, NB와 NV 중 작은 수에 해당하는 N개의 사용자 단말 노드를 선택하고(단계 S21), 상기한 [수학식 1]을 참조하여 설명한 바와 같이 하여, 기지국 노드에서 중계 노드로의 채널 행렬 및 사용자 단말 노드로부터 중계 노드로의 채널 행렬을 각각 생성한다(단계 S22).
More specifically, the communication method according to the present invention, as shown in Figure 2, one base station node having N B antenna system, one relay node having N V antenna system and one transmission and reception Comprised of a plurality of user terminal nodes having an antenna, the base station and the user terminal transmits a signal to the repeater, respectively, the repeater is a multi-user relay is a multi-user through the process of transmitting the signal to the base station and the user terminal at the same time in a MIMO cellular communication system, first, to select the N number of the user terminal node corresponding to the N B and N V small number of (step S21), as described with reference to the above equation 1, the base station Generate a channel matrix from the node to the relay node and the channel matrix from the user terminal node to the relay node, respectively. S22).
다음으로, 상기한 [수학식 2] 내지 [수학식 4]를 참조하여 설명한 바와 같이 하여, 사용자 단말 노드들의 수평 부호화(horizontal encoding)을 통하여 기지국 노드에서 k번째 사용자 단말 노드로 전송할 코드워드(codeword) 벡터 및 k번째 사용자 단말 노드에서 기지국으로 전송할 코드워드 벡터를 나타내는 부호화 행렬을 각각 생성한다(단계 S23).
Next, as described with reference to Equations 2 to 4, the codeword to be transmitted from the base station node to the k th user terminal node through horizontal encoding of the user terminal nodes. ) And a coding matrix indicating a codeword vector to be transmitted from the k-th user terminal node to the base station (step S23).
계속해서, 상기한 [수학식 5] 내지 [수학식 7]을 참조하여 설명한 바와 같이 하여, 기지국 노드에서 중계 노드로의 채널 행렬의 간략화된 특이값 분해(Singular Value Decomposition; SVD)를 이용하여 기지국의 선형 선부호화를 통해 기지국의 송신신호(단계 S24) 및 사용자 단말 노드의 송신신호를 생성한다(단계 S25).
Subsequently, as described with reference to Equations 5 to 7 above, the base station is obtained by using a simplified singular value decomposition (SVD) of the channel matrix from the base station node to the relay node. Through linear precoding of the transmission signal of the base station (step S24) and the transmission signal of the user terminal node is generated (step S25).
이어서, [수학식 8]을 참조하여 설명한 바와 같이 하여, 각각의 송신신호에 근거하여 중계 노드에 수신되는 수신신호를 생성한다(단계 S26).
Subsequently, as described with reference to Equation 8, a reception signal received at the relay node is generated based on each transmission signal (step S26).
다음으로, [수학식 9] 내지 [수학식 17]을 참조하여 설명한 바와 같이 하여, 수평 순차 간섭 제거방식을 이용하여 상기 단계에서 생성된 수신신호로부터 각각의 코드워드를 복호한 후(단계 S27), 상기한 바와 같이 하여 복호된 신호를 중계기에서 각각의 기지국 및 사용자 단말로 송신하고, 기지국과 사용자 단말에서는 각각 자신에게 보내진 신호만을 선별하여 수신함으로써(단계 S28), 기지국과 중계기 및 사용자 단말 사이의 통신이 이루어지게 된다.
Next, as described with reference to Equations 9 to 17, after decoding each codeword from the received signal generated in the step by using the horizontal sequential interference cancellation method (step S27) By transmitting the signal decoded as described above from the repeater to each base station and the user terminal, the base station and the user terminal select and receive only the signal sent to each of them (step S28), the base station and the repeater and the user terminal between Communication is made.
따라서 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법을 구현함으로써, 다수의 송수신 안테나 시스템을 구비하는 한 개의 기지국과 한 개의 중계 노드, 그리고 한 개의 송수신 안테나를 구비하는 다수의 통신 단말 노드로 구성되는 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템에 있어서 통신용량을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
Therefore, according to the present invention, by implementing a two-way relay communication method for increasing the communication capacity of the multi-user multi-input / output cellular communication system through the network encoding to allow self-interference according to the present invention, a plurality of transmit and receive antennas In a multi-user multi-input / output cellular communication system composed of one base station having a system, one relay node, and a plurality of communication terminal nodes having one transmit / receive antenna, communication capacity can be effectively improved.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 전체적인 통신용량을 효과적으로 증대시킬 수 있는 양방향 중계 통신방법을 수행하도록 구성되는 통신시스템을 구현함으로써, 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신 시스템의 전체적인 통신용량을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
In addition, according to the present invention, there is provided a communication system configured to perform a two-way relay communication method that can effectively increase the overall communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding to allow self-interference as described above. By implementing, the overall communication capacity of the multi-user multi-input / output cellular communication system can be effectively increased.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 전체적인 통신용량을 효과적으로 증대시킬 수 있는 양방향 중계 통신방법이 제공됨으로써, 통신용량을 증가시키기 위해 계속해서 통신설비를 증설해야 했던 종래의 통신시스템의 문제점을 해결하여, 설비투자 비용을 절감할 수 있다.
In addition, according to the present invention, by providing a two-way relay communication method that can effectively increase the overall communication capacity of the multi-user multi-input / output cellular communication system through the network encoding to allow self-interference as described above, thereby increasing the communication capacity In order to solve the problems of the conventional communication system that had to continue to expand the communication equipment in order to reduce the equipment investment cost.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. As described above, the details of the bidirectional relay communication method for increasing the communication capacity of the multi-user multi-input / output cellular communication system through the network encoding to allow self-interference according to the present invention as described above will be described. However, the present invention is not limited only to the contents described in the above-described embodiments, and thus, the present invention is not limited to the design needs and various other factors by those skilled in the art. Naturally, modifications, changes, combinations and substitutions are possible.
Claims (12)
상기 NB와 상기 NV 중 작은 수에 해당하는 N개의 사용자 단말 노드를 선택하는 선택단계;
상기 기지국 노드에서 상기 중계 노드로의 채널 행렬 및 상기 사용자 단말 노드로부터 상기 중계 노드로의 채널 행렬을 생성하는 채널행렬 생성단계;
상기 사용자 단말 노드들의 수평 부호화(horizontal encoding)을 통하여 상기 기지국 노드에서 k번째 사용자 단말 노드로 전송할 코드워드(codeword) 벡터 및 k번째 사용자 단말 노드에서 기지국으로 전송할 코드워드 벡터를 나타내는 부호화 행렬을 각각 생성하는 부호화 행렬 생성단계;
상기 기지국 노드에서 상기 중계 노드로의 채널 행렬의 간략화된 특이값 분해(Singular Value Decomposition; SVD)를 이용하여, 상기 기지국의 선형 선부호화를 통해 송신신호를 생성하는 기지국 송신신호 생성단계;
상기 사용자 단말 노드의 송신신호를 생성하는 사용자 단말 송신신호 생성단계;
상기 기지국 송신신호 생성단계 및 상기 사용자 단말 송신신호 생성단계에서 구해진 각각의 상기 송신신호에 근거하여 상기 중계 노드에 수신되는 수신신호를 생성하는 수신신호 생성단계;
수평 순차 간섭 제거방식을 이용하여 상기 수신신호 생성단계에서 얻어진 수신신호로부터 각각의 코드워드를 복호하는 복호단계; 및
상기 복호단계에서 얻어진 신호를 상기 중계기에서 각각의 상기 기지국 및 상기 사용자 단말로 송신하고, 상기 기지국과 상기 사용자 단말에서는 각각 자신에게 보내진 신호만을 선별하여 수신하는 통신단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
It consists of one base station node having N B antenna systems, one relay node having N V antenna systems, and a plurality of user terminal nodes having one transmit / receive antenna. In the multi-user multi-input / output cellular communication system in which bi-directional relaying is performed by transmitting a signal, and in the repeater, a signal is transmitted to the base station and the user terminal at the same time, multi-user multi-input / output through network encoding to allow self-interference. In the bidirectional relay communication method for increasing the communication capacity of the cellular communication system,
Selecting N user terminal nodes corresponding to a smaller number of N B and N V ;
Generating a channel matrix from the base station node to the relay node and a channel matrix from the user terminal node to the relay node;
A codeword vector to be transmitted from the base station node to the k-th user terminal node and a coding matrix representing a codeword vector to be transmitted from the k-th user terminal node to the base station are generated through horizontal encoding of the user terminal nodes. Generating a coding matrix;
A base station transmission signal generation step of generating a transmission signal through linear precoding of the base station using simplified singular value decomposition (SVD) of the channel matrix from the base station node to the relay node;
A user terminal transmission signal generation step of generating a transmission signal of the user terminal node;
A reception signal generation step of generating a reception signal received at the relay node based on each of the transmission signals obtained in the base station transmission signal generation step and the user terminal transmission signal generation step;
A decoding step of decoding each codeword from the received signal obtained in the received signal generating step by using a horizontal sequential interference cancellation method; And
And a communication step of transmitting the signal obtained in the decoding step to each of the base station and the user terminal in the repeater, and selecting and receiving only the signal sent to the base station and the user terminal, respectively. A bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding allowing self-interference.
상기 채널행렬 생성단계는,
상기 기지국 노드에서 상기 중계 노드로의 채널 행렬을 NV×NB 크기의 행렬 HBV로 정의하고,
선택된 k번째 단말 노드로부터 상기 중계 노드로의 Nv×1 크기의 채널 백터를 hMV ,k라 할 때, 상기 단말 노드로부터 상기 중계 노드로의 채널 행렬 HMV를 이하의 수학식으로 정의하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
The method of claim 1,
The channel matrix generation step,
A channel matrix from the base station node to the relay node is defined as a matrix H BV having a size of N V × N B ,
When the channel vector of size N v × 1 from the selected kth terminal node to the relay node is h MV , k , the channel matrix H MV from the terminal node to the relay node is defined by the following equation. A bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference.
상기 부호화 행렬 생성단계는,
코드 길이 또는 블록 길이를 D라 할 때, 상기 기지국에서 k번째 사용자 단말 노드로 전송할 1×D 크기의 코드워드(codeword) 벡터를 xB ,k라 하고, k번째 사용자 단말노드에서 상기 기지국으로 전송할 1×D 크기의 코드워드 벡터를 xM ,k라 할 때, 이하의 수학식에 의해 상기 xB ,k와 상기 xM ,k를 수평하게 쌓은 행렬 XB와 XM을 정의하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
3. The method of claim 2,
The coding matrix generation step,
When the code length or the block length is D, a 1 × D codeword vector to be transmitted from the base station to the k th user terminal node is x B , k and is transmitted from the k th user terminal node to the base station. When a codeword vector having a size of 1 × D is x M , k , it is configured to define matrices X B and X M horizontally stacked with x B , k and x M , k by the following equation. A bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference.
상기 기지국 송신신호 생성단계는,
(여기서, Σ는 N×N 대각 행렬이고, V, F는 N개의 직교 열로 구성된다.)
The method of claim 3, wherein
The base station transmission signal generation step,
(Where Σ is an N × N diagonal matrix, and V and F are composed of N orthogonal columns.)
상기 사용자 단말 송신신호 생성단계는,
이하의 수학식에 근거하여 송신신호를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
5. The method of claim 4,
The user terminal transmission signal generation step,
A bidirectional relay communication method for increasing the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding allowing self-interference, characterized in that it is configured to generate a transmission signal based on the following equation.
상기 수신신호 생성단계는,
이하의 수학식에 근거하여, 상기 기지국 송신신호 생성단계에서 생성된 송신신호 행렬 SB 및 상기 사용자 단말 송신신호 생성단계에서 생성된 송신신호 행렬 SM에 대하여 상기 중계 노드가 수신하는 신호 YV를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
(여기서, ZV는 가산성 잡음이다)
6. The method of claim 5,
The receiving signal generating step,
Based on the following equation, the signal Y V received by the relay node with respect to the transmission signal matrix S B generated in the base station transmission signal generation step and the transmission signal matrix S M generated in the user terminal transmission signal generation step is determined. A bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through network encoding that allows self-interference.
Where Z V is additive noise
상기 수신신호 생성단계는,
상기 xB ,k와 상기 xM ,k의 평균전력 γB,k와 γM,k가 이하의 수학식에 나타낸 조건을 만족하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
(여기서, PB와 PM ,k는 기지국과 k번째 사용자의 최대 송신 전력이고, wk는 W의 k번째 열이다.)
The method according to claim 6,
The receiving signal generating step,
The average powers γ B, k and γ M, k of the x B , k and x M , k are selected to satisfy the conditions shown in the following equation. A bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a user multiple input / output cellular communication system.
(Where P B and P M , k are the maximum transmit powers of the base station and k-th user, and w k is the k-th column of W).
상기 복호단계는,
상기 수신신호 생성단계에서 생성된 수신신호의 채널 행렬 HMV를 이하의 수학식에 의해 직교행렬 Q와 상삼각(upper-triangular) 행렬 U로 QR 분해하고,
상기 수신신호 생성단계에서 얻어진 수신신호 YV에 Ud -1QT를 곱하여 이하의 수학식에 의해
(여기서, Ud는 U에서 대각 원소 이외의 모든 원소를 0으로 하여 만들어진 대각행렬이고,
이하의 수학식에 의해 행렬 G를 정의하고, 상기 G의 대각 원소가 모두 0이 되도록 상기 W를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
8. The method of claim 7,
The decoding step,
QR decomposition of the channel matrix H MV of the received signal generated in the received signal generation step into an orthogonal matrix Q and an upper-triangular matrix U by the following equation,
The received signal Y V obtained in the received signal generating step is multiplied by U d -1 Q T by the following equation
Where U d is a diagonal matrix created by U with all elements other than the diagonal element in U,
A matrix G is defined by the following equation, and the W is determined such that the diagonal elements of the G are all zeros. Bidirectional relay communication method for increasing communication capacity.
상기 복호단계는,
상기 G의 (n, m)번째 성분을 각각 gn ,m이라 할 때,
The method of claim 8,
The decoding step,
When the (n, m) th component of G is called g n , m , respectively,
상기 복호단계는,
xB ,n + xM ,n이 k+1≤n≤N에 대하여 복호되면,
The method of claim 9,
The decoding step,
If x B , n + x M , n is decoded for k + 1≤n≤N,
상기 통신단계는,
상기 복호단계에서 얻어진 상기 xB ,k + xM ,k의 심벌을 상기 중계기에서 상기 기지국과 상기 사용자 단말에 각각 전송하고,
상기 기지국과 상기 사용자 단말에서는, 상기 xB ,k + xM ,k의 심벌을 수신하면 자신이 보낸 신호인 xB ,k 또는 xM ,k에 해당하는 성분을 각각 제거하여 자신에게 해당하는 심벌을 구하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기간섭을 허용하는 네트워크 부호화를 통하여 다중 사용자 다중 입출력 셀룰러 통신시스템의 통신용량을 증대시키기 위한 양방향 중계 통신방법.
The method of claim 10,
The communication step,
The symbols of x B , k + x M , k obtained in the decoding step are transmitted from the repeater to the base station and the user terminal, respectively.
When the base station and the user terminal receives the symbols of x B , k + x M , k, the corresponding symbols are removed by removing components corresponding to x B , k or x M , k which are signals transmitted by the base station and the user terminal. A bidirectional relay communication method for increasing the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference, characterized in that it comprises a step of obtaining a.
It consists of one base station node having N B antenna systems, one relay node having N V antenna systems, and a plurality of user terminal nodes having one transmit / receive antenna. In order to increase the communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system in which a two-way relay is performed by transmitting signals, respectively, and transmitting the signals to the base station and the user terminal at the repeater. A communication system configured to perform communication using a bidirectional relay communication method for increasing communication capacity of a multi-user multi-input / output cellular communication system through a network encoding that allows self-interference according to any one of claims.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107124245A (en) * | 2017-03-05 | 2017-09-01 | 北京工业大学 | Full duplex one-way junction self-interference suppressing method based on combined transceiving beam forming |
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| KR20070068824A (en) * | 2005-12-27 | 2007-07-02 | 삼성전자주식회사 | Signal transmitting/receiving method for increment of transmission efficiency in wireless communication system using multiple antennas and system thereof |
| KR20100067596A (en) * | 2008-12-11 | 2010-06-21 | 한국전자통신연구원 | Apparatus and method for precoding |
-
2013
- 2013-03-14 KR KR1020130027264A patent/KR101354137B1/en active IP Right Grant
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| CN107124245B (en) * | 2017-03-05 | 2019-03-05 | 北京工业大学 | Full duplex one-way junction self-interference suppressing method based on combined transceiving beam forming |
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