KR102612385B1 - Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks - Google Patents

Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks Download PDF

Info

Publication number
KR102612385B1
KR102612385B1 KR1020210114824A KR20210114824A KR102612385B1 KR 102612385 B1 KR102612385 B1 KR 102612385B1 KR 1020210114824 A KR1020210114824 A KR 1020210114824A KR 20210114824 A KR20210114824 A KR 20210114824A KR 102612385 B1 KR102612385 B1 KR 102612385B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
repeater
time slot
receiving end
repeaters
destination
Prior art date
Application number
KR1020210114824A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230032232A (en
Inventor
채성호
김현웅
박현정
오수현
전상운
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
한양대학교 에리카산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광운대학교 산학협력단, 한양대학교 에리카산학협력단 filed Critical 광운대학교 산학협력단
Priority to KR1020210114824A priority Critical patent/KR102612385B1/en
Publication of KR20230032232A publication Critical patent/KR20230032232A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102612385B1 publication Critical patent/KR102612385B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B7/00Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/022Site diversity; Macro-diversity
    • H04B7/026Co-operative diversity, e.g. using fixed or mobile stations as relays
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B7/00Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413MIMO systems
    • H04B7/0452Multi-user MIMO systems
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B7/00Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B7/00Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0697Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using spatial multiplexing

Abstract

하나의 송신단, N 개의 중계기, K 개의 목적 수신단을 포함하는 다중 중계 방송 시스템을 이용한 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신방법은, 상기 송신단은 제1 타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하되, 상기 제1 타임슬롯에서 상기 중계기들은 전송받은 신호 스트림을 전송하지 않으며, 상기 송신단은 제2 타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하며, 상기 중계기들은 상기 제1 타임슬롯에서 받은 자신의 수신신호에서 각 목적 수신단에 전송할 스트림을 추출한 후, 상기 제2 타임슬롯에서 해당 목적 수신단에 전송하도록 제어하는 것을 포함한다.A cooperative communication method for a wireless backhaul network using a multiple relay broadcasting system including one transmitter, N repeaters, and K destination receivers, wherein the transmitter transmits to the N repeaters and K destination receivers in a first time slot. Streams are equally distributed and transmitted, but in the first time slot, the repeaters do not transmit the received signal stream, and the transmitting end equally distributes the streams to be transmitted to the N repeaters and K destination receiving ends in the second time slot. The stream is distributed and transmitted, and the repeaters extract a stream to be transmitted to each target receiving end from their own received signal in the first time slot and then control the stream to be transmitted to the corresponding target receiving end in the second time slot.

Description

다중 사용자 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법{Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks}Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks}

본 발명은 다중 사용자 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cooperative communication method for a multi-user wireless backhaul network.

5G, 6G 통신시스템은 기존 4G 통신 시스템 대비 전송률을 1000배 이상 증가시키는 것을 포함하여 데이터 레이트, 레이턴시, 에너지, 비용 등을 포함하는 다양한 측면에서 4G 통신시스템을 향상시키는 것을 목표로 한다.5G and 6G communication systems aim to improve the 4G communication system in various aspects including data rate, latency, energy, and cost, including increasing the transmission rate by more than 1,000 times compared to the existing 4G communication system.

이를 달성하기 위해서는 셀 조밀화(cell densification), 광대역인 mmWave 주파수 대역 사용 및 다중 안테나 전송기법을 활용한 주파수 효율 증대 방안 등의 방법이 주로 고려될 수 있다.To achieve this, methods such as cell densification, use of the wide mmWave frequency band, and ways to increase frequency efficiency using multi-antenna transmission techniques can be mainly considered.

셀 조밀화는 영역 용량을 증가시키는 효율적인 수단이며, 이는 스펙트럼 재사용을 개선하고 각각의 셀 내의 사용자들의 유효 수를 감소시킨다(H. S. Dhillon, R. K. Ganti, F. Baccelli, and J. G. Andrews, “ and analysis of K-tier downlink heterogeneous cellular networks,”IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 30, no. 3, pp. 550-560, Apr. 2012. 참조) 셀 집적도가 너무 심해지면 높은 비용으로 인해 유선 백홀을 사용할 수 없게 되며, 이러한 경우 무선 백홀이 매력적이고 실용적인 해결책으로 제시된다(S. Chia, M. Gasparroni, and P. Brick, “next challenge for cellular networks: Backhaul,”IEEE Microw. Mag., vol. 10, no. 5, pp. 54-66, Aug. 2009. 참조). 즉, 셀 조밀화를 위해서는 비용, 효율 및 성능 측면에서 기존의 유선 백홀(wireline backhaul)을 무선 백홀(wireless backhaul)로 대체할 필요성이 제기된다. 무선 백홀(wireless backhaul)은 주로 가시선(line-of-sight) 통신을 이용하는데, 가시선 채널환경은 송, 목적 수신단 사이에 지배적인 신호경로가 유한적이고, 다중 경로가 충분히 확보되지 않는 환경이 발생된다. 이다. 이에 따라 다중안테나를 활용하여도 충분한 다중화 이득을 얻을 수가 없어서 주파수 효율을 증가시키기가 용이하지 않았다.Cell densification is an efficient means of increasing area capacity, which improves spectrum reuse and reduces the effective number of users within each cell (HS Dhillon, RK Ganti, F. Baccelli, and JG Andrews, “and analysis of K- tier downlink heterogeneous cellular networks,”IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 30, no. 3, pp. 550-560, Apr. 2012.) When cell density becomes too high, it is difficult to use wired backhaul due to high costs. In these cases, wireless backhaul is presented as an attractive and practical solution (S. Chia, M. Gasparroni, and P. Brick, “next challenge for cellular networks: Backhaul,” IEEE Microw. Mag. , vol. 10, no. 5, pp. 54-66, Aug. 2009). In other words, for cell densification, there is a need to replace the existing wired backhaul with a wireless backhaul in terms of cost, efficiency, and performance. Wireless backhaul mainly uses line-of-sight communication, and the line-of-sight channel environment creates an environment in which the dominant signal path between the transmitter and destination receiver is finite and multiple paths are not sufficiently secured. . am. Accordingly, it was not easy to increase frequency efficiency because sufficient multiplexing gain could not be obtained even by using multiple antennas.

백홀이 여러 기지국과 center unit 사이의 통신인 점을 고려하면, 높은 데이터 전송률(high data rate) 전송을 지원할 필요성이 제기되고, 이러한 문제를 극복하기 위한 무선전송기술의 개발이 필요하다.Considering that backhaul is communication between multiple base stations and center units, there is a need to support high data rate transmission, and the development of wireless transmission technology is necessary to overcome this problem.

통신 채널에 사용되는 밀리미터파(mmWave) 시스템은 밀리미터파(mmWaving) 채널에서 높은 경로 손실을 극복하기 위해 대규모 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 또는 고지향성 안테나로 빔 포밍을 사용하여 달성될 수 있는 큰 지향성 이득을 필요로 한다. 그 결과 밀리미터파 무선 백홀의 유효 채널은 본질적으로 큰 가시선(line of-Sight, LoS) 성분을 갖는다. 이러한 열악한 분산 환경들에 대해, 이득이 안테나들의 수에 비례하는 풍부한 분산 환경과는 대조적으로, MIMO로부터의 멀티플렉싱 이득은, 많은 수의 안테나들이 사용될 때에도 심각하게 제한을 받는다. 이는 채널 매트릭스들이 키홀 효과로 인해 랭크-부족되는 것에 기인한 것으로 분석된다. 따라서 거대한 데이터 전송률을 지원하기 위한 무선 백홀에 대한 필요성을 고려하면, 채널의 랭크-부족 현상에도 불구하고 MIMO 송신의 스펙트럼 효율을 개선하는 것이 필요하다.Millimeter wave (mmWave) systems used in communication channels can be achieved using massive multiple-input multiple-output (MIMO) or beamforming with highly directional antennas to overcome high path loss in mmWaving channels. Requires large directivity gain. As a result, the effective channel of millimeter wave wireless backhaul has an inherently large line-of-sight (LoS) component. For these poor distribution environments, in contrast to rich distribution environments where the gain is proportional to the number of antennas, the multiplexing gain from MIMO is severely limited even when large numbers of antennas are used. This is analyzed to be due to the channel matrices becoming rank-deficient due to the keyhole effect. Therefore, considering the need for wireless backhaul to support huge data rates, it is necessary to improve the spectral efficiency of MIMO transmission despite rank-starvation of the channel.

다중 안테나 시스템에서 데이터 전송률은 동일 주파수 및 동일 시간 자원을 활용하되 다중 안테나를 통해 데이터를 공간상에서 여러 레이어(layer)로 병렬 전송함으로써 높일 수 있다. 다중 안테나를 통해 공간상에서 병렬로 데이터를 전송함에 있어, 몇 개의 레이어를 통해 동시에 전송할 수 있는지에 대한 사전 정보를 제공하는 것이 랭크(Rank) 정보이다. 이는 단말(UE) 또는 MIMO 수신기에서 하향 무선 채널 환경을 분석하고 다중 안테나 채널의 랭크가 얼마인지를 판단하여 기지국에 역방향 채널로 보고하게 된다. 이러한 랭크 정보가 정확할수록 기지국이 전송하는 병렬 데이터를 오류 없이 단말이 수신할 수 있게 되고 최적의 하향링크 데이터 전송률을 달성할 수 있다.In a multi-antenna system, the data transmission rate can be increased by utilizing the same frequency and time resources, but transmitting data in parallel to multiple layers in space through multiple antennas. When transmitting data in parallel in space through multiple antennas, rank information provides prior information about how many layers can be transmitted simultaneously. In this case, the terminal (UE) or MIMO receiver analyzes the downlink wireless channel environment, determines the rank of the multi-antenna channel, and reports it to the base station as a reverse channel. The more accurate this rank information is, the more the terminal can receive parallel data transmitted by the base station without error and the optimal downlink data transmission rate can be achieved.

LTE/LTE-A 등 현존하는 3세대 및 4세대 이동통신 시스템은 데이터 전송률 및 시스템 용량의 확대를 위하여 복수개의 송수신 안테나를 이용하여 전송하는 MIMO 기술을 활용한다. MIMO 기술은 복수개의 송수신 안테나를 활용함으로써 복수개의 정보 스트림(information stream)을 공간적으로 분리하여 전송한다. 이와 같이 복수개의 정보 스트림을 공간적으로 분리하여 전송하는 것을 공간 다중화(spatial multiplexing)이라 한다. 일반적으로 몇 개의 정보 스트림에 대하여 공간 다중화를 적용할 수 있는지는 송신기와 수신기의 안테나 수에 따라 달라진다. 일반적으로 몇 개의 정보 스트림에 대하여 공간 다중화를 적용할 수 있는지를 해당 전송의 랭크(rank)라 한다Existing 3rd and 4th generation mobile communication systems such as LTE/LTE-A utilize MIMO technology, which transmits using multiple transmitting and receiving antennas to increase data transmission rate and system capacity. MIMO technology utilizes a plurality of transmitting and receiving antennas to spatially separate and transmit a plurality of information streams. In this way, spatially separating and transmitting a plurality of information streams is called spatial multiplexing. In general, how many information streams can be applied to spatial multiplexing depends on the number of antennas of the transmitter and receiver. In general, the number of information streams to which spatial multiplexing can be applied is referred to as the rank of the transmission.

대한민국 등록특허공보 10-1123222호에서는 전송 안테나 어레이와 상기 수신 안테나 어레이 사이의 이용 가능한 공간적 병렬 통신 스트림들의 개수를 채널행렬의 고유값들의 상기 상호 비율들로부터 결정하여 무선 채널 랭크를 추정하는 방법을 제공하고 있다.Republic of Korea Patent Publication No. 10-1123222 provides a method of estimating a wireless channel rank by determining the number of available spatially parallel communication streams between the transmitting antenna array and the receiving antenna array from the mutual ratios of the eigenvalues of the channel matrix. I'm doing it.

한편 중계기를 가지는 MIMO 방송채널 기술을 채택하여 데이터 전송률을 해결하려는 여러 연구가 있었다(「B.Wang, J. Zhang, and A. Host-Madsen, “the capacity of MIMO relay channels,”IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, no. 1, pp. 29-43, Jan. 2005.」, 「R. Zhang, C. C. Chai, and Y. Liang, “beamforming and power control for multiantenna relay broadcast channel with QoS constraints,”IEEE Trans. Signal Process., vol. 57, no. 2, pp. 726-737, Feb. 2009.」, 「C. Chae, T. Tang, R. W. Heath, and S. Cho, “relaying with linear processing for multiuser transmission in fixed relay networks,”IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 2, pp. 727-738, Feb. 2008.」, 「 H. Shi, T. Abe, T. Asai, and H. Yoshino, “schemes using matrix triangularization for MIMO wireless networks,”IEEE Trans. Commun., vol. 55, no. 9, pp. 1683-1688, Sep. 2007.」, 「S. Chen and R. S. Cheng, “the degrees of freedom of K-user MIMO interference channel with a MIMO relay,”in Proc. IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOM), Dec. 2010, pp. 1-5.」). 그러나 이전 연구들 대부분 채널 행렬이 전체 랭크를 가지는 풍부한 분산된 경로 환경을 가정한 것이어서, 이러한 시스템은 경로가 부족한 채널 환경에는 직접 적용할 수가 없다.Meanwhile, there have been several studies to solve the data transmission rate by adopting MIMO broadcast channel technology with a repeater (「B.Wang, J. Zhang, and A. Host-Madsen, “the capacity of MIMO relay channels,” IEEE Trans. Inf . Theory , vol. 51, no. 1, pp. 29-43, Jan. 2005.」, 「R. Zhang, CC Chai, and Y. Liang, “beamforming and power control for multiantenna relay broadcast channel with QoS constraints, ” IEEE Trans. Signal Process. , vol. 57, no. 2, pp. 726-737, Feb. 2009.”, 「C. Chae, T. Tang, RW Heath, and S. Cho, “relaying with linear processing for multiuser transmission in fixed relay networks,” IEEE Trans. Signal Process. , vol. 56, no. 2, pp. 727-738, Feb. 2008.”, 「 H. Shi, T. Abe, T. Asai, and H. Yoshino, “schemes using matrix triangularization for MIMO wireless networks,” IEEE Trans. Commun. , vol. 55, no. 9, pp. 1683-1688, Sep. 2007.”, 「S. Chen and RS Cheng, “ the degrees of freedom of K -user MIMO interference channel with a MIMO relay,” in Proc. IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOM) , Dec. 2010, pp. 1-5.”). However, most of the previous studies assumed a rich distributed path environment where the channel matrix has the entire rank, so these systems cannot be directly applied to a channel environment with insufficient paths.

또한, 대한민국 공개특허공보2017-0100317호에서는 자원 할당 요청에 따라, 상기 자식 노드들을 연결하는 링크들 중 인접한 임의의 두 링크가 동일한 타임 슬롯을 점유하는 위반 관계에 있는 경우, 상기 인접한 임의의 두 링크에 서로 다른 타임 슬롯을 할당하는 무선 센서 네트워크에서 자원 할당 방법을 제시하고 있다. 그러나, 상기 타임슬롯에 의한 자원할당 방법에는 랭크 부족 채널 시스템에 대한 효율적인 전송방법에 대하여는 제시하고 있지 않다.In addition, in Korean Patent Publication No. 2017-0100317, according to a resource allocation request, when any two adjacent links among the links connecting the child nodes are in a violation relationship by occupying the same time slot, the two adjacent links are A resource allocation method in a wireless sensor network that allocates different time slots is proposed. However, the time slot-based resource allocation method does not provide an efficient transmission method for a rank-deficient channel system.

대한민국 등록 특허공보 10-2151973호(통합된 액세스 및 백홀 무선 네트워크를 위한 초기 액세스 및 무선 자원 관리)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2151973 (Initial access and wireless resource management for integrated access and backhaul wireless networks) 대한민국 등록특허공보 10-1123222호(무선 채널 랭크 추정을 위한 방법 및 장치)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1123222 (Method and device for wireless channel rank estimation) 대한민국 공개특허공보2017-0100317 무선 센서 네트워크에서 자원 할당 방법 및 노드 장치Republic of Korea Patent Publication No. 2017-0100317 Resource allocation method and node device in wireless sensor network

1.B.Wang, J. Zhang, and A. Host-Madsen, “the capacity of MIMO relay1.B.Wang, J. Zhang, and A. Host-Madsen, “the capacity of MIMO relay channels,”IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, no. 1, pp. 29-43, Jan. 2005. channels,”IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, no. 1, pp. 29-43, Jan. 2005. 2.R. Zhang, C. C. Chai, and Y. Liang, “beamforming and power control for multiantenna relay broadcast channel with QoS constraints,”IEEE Trans. Signal Process., vol. 57, no. 2, pp. 726-737, Feb. 2009.2.R. Zhang, C. C. Chai, and Y. Liang, “beamforming and power control for multiantenna relay broadcast channel with QoS constraints,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 57, no. 2, pp. 726-737, Feb. 2009. 3. C. Chae, T. Tang, R. W. Heath, and S. Cho, “relaying with linear processing for multiuser transmission in fixed relay networks,”IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 2, pp. 727-738, Feb. 2008.3. C. Chae, T. Tang, R. W. Heath, and S. Cho, “Relaying with linear processing for multiuser transmission in fixed relay networks,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 2, pp. 727-738, Feb. 2008. 4. H. Shi, T. Abe, T. Asai, and H. Yoshino, “schemes using matrix triangularization for MIMO wireless networks,”IEEE Trans. Commun., vol. 55, no. 9, pp. 1683-1688, Sep. 2007.4. H. Shi, T. Abe, T. Asai, and H. Yoshino, “Schemes using matrix triangularization for MIMO wireless networks,” IEEE Trans. Commun., vol. 55, no. 9, pp. 1683-1688, Sep. 2007. 5. S. Chen and R. S. Cheng, “the degrees of freedom of K-user MIMO interference channel with a MIMO relay,”in Proc. IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOM), Dec. 2010, pp. 1-5.5. S. Chen and R. S. Cheng, “the degrees of freedom of K-user MIMO interference channel with a MIMO relay,” in Proc. IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOM), Dec. 2010, pp. 1-5. 6.H. S. Dhillon, R. K. Ganti, F. Baccelli, and J. G. Andrews, “ and analysis of K-tier downlink heterogeneous cellular networks,”IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 30, no. 3, pp. 550-560, Apr. 2012.6.H. S. Dhillon, R. K. Ganti, F. Baccelli, and J. G. Andrews, “and analysis of K-tier downlink heterogeneous cellular networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 30, no. 3, pp. 550-560, Apr. 2012. 7. S. Chia, M. Gasparroni, and P. Brick, “next challenge for cellular networks: Backhaul,”IEEE Microw. Mag., vol. 10, no. 5, pp. 54-66, Aug. 2009.7. S. Chia, M. Gasparroni, and P. Brick, “Next challenge for cellular networks: Backhaul,” IEEE Microw. Mag., vol. 10, no. 5, pp. 54-66, Aug. 2009.

본 발명의 목적은 랭크-부족(rank-deficient)채널의 환경에서 효율적으로 데이터를 전송하는 다중 사용자 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 중계 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a cooperative relay method for a multi-user wireless backhaul network that efficiently transmits data in a rank-deficient channel environment.

본 발명의 또 다른 목적은 MIMO 전송 시스템에서 다중 중계기를 능동 반사기로 사용하여 랭크 결핍을 극복하고 사용자 및 중계기 간 간섭을 제거할 수 있으며 대체 신호 경로를 제공하는 다중 사용자 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 중계 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a cooperative relaying method for a multi-user wireless backhaul network that can overcome rank deficiency, eliminate interference between users and repeaters, and provide an alternative signal path by using multiple repeaters as active reflectors in a MIMO transmission system. is to provide.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 송신단, N 개의 중계기, K 개의 목적 수신단을 포함하는 다중 중계 방송 시스템을 이용한 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신방법은, 상기 송신단은 제1 타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하되, 상기 제1 타임슬롯에서 상기 중계기들은 전송 받은 신호 스트림을 전송하지 않으며, 상기 송신단은 제2타임슬롯에서 상기 상기 N개의 중계기 및 K개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하며, 상기 중계기들은 상기 제1타임슬롯에서 받은 자신의 수신신호에서 각 목적 수신단에 전송할 스트림을 추출한 후, 상기 제2타임슬롯에서 해당 목적 수신단에 전송하도록 제어하는 것을 포함하는 .것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, a cooperative communication method for a wireless backhaul network using a multiple relay broadcasting system including one transmitting end, N repeaters, and K destination receiving ends, wherein the transmitting end has the N number of destinations in a first time slot. Streams to be transmitted are equally distributed and transmitted to repeaters and K target receiving ends, but the repeaters do not transmit the received signal stream in the first time slot, and the transmitting end transmits the N repeaters and K in the second time slot. Streams to be transmitted to each target receiving end are equally distributed and transmitted, and the repeaters extract the stream to be transmitted to each target receiving end from its received signal received in the first time slot and then transmit it to the corresponding target receiving end in the second time slot. It is characterized by including control to do so.

또한, 상기 송신단에서 상기 제1타임슬롯 및 제2타임슬롯에서 전송하는 신호는 제로-포싱 빔 포밍으로 전송되는 것을 특징으로 한다.In addition, signals transmitted from the transmitter in the first and second time slots are characterized in that they are transmitted using zero-forcing beam forming.

또한, 상기 중계기들이 상기 제2 타임슬롯에서 목적 수신단으로 전송하는 신호는 제로-포싱 빔 포밍으로 전송되는 것을 특징으로 한다.In addition, the signal transmitted by the repeaters to the target receiving end in the second timeslot is characterized in that it is transmitted by zero-forcing beam forming.

또한, M > L(K·N)인 경우, - 여기서, 1~N은 중계기 개수, 1~K는 목적 수신단 개수, 1~L은 전송경로 개수, 1 ~M은 안테나 개수임, 상기 제 1 타임슬롯에서, 각 송신단은 어떠한 중계기에도 도달하지 않는 L개의 독립 스트림을 해당 상기 목적 수신단으로 전송하고, 동시에, 전용 중계기 이외의 중계기[1: N]를 통해 L개의 독립된 스트림을 상기 목적 수신단으로 전송하며, 상기 목적 수신단은 제 1 타임슬롯에서 KL 스트림을 복구하는 것을 특징으로 하고,상기 제2 타임슬롯에서 각 송신단은 상기 제1 타임슬롯과 동일하게 전송하며, 각 중계기는 상기 제1타임슬롯에서 수신한 신호를 Zero-Forcing 빔포밍을 사용하여 상기 목적 수신단으로 전달하고 또한 동시에 각 중계기는 상기 송신단에서 전송된 신호를 수신하며, 상기 목적 수신단에서는 상기 제2 타임슬롯에서 L(K + N) 스트림을 수신하고 복구하는 것을 특징으로 한다.In addition, when M > L(K·N), - where 1 to N are the number of repeaters, 1 to K are the number of destination receiving ends, 1 to L are the number of transmission paths, and 1 to M are the number of antennas, the first In a timeslot, each transmitting end transmits L independent streams that do not reach any repeater to the destination receiving end, and at the same time transmits L independent streams to the destination receiving end through a relay [1: N] other than the dedicated repeater, and the destination receiving end Characterized in that the KL stream is recovered in the first time slot, and in the second time slot, each transmitter transmits the same as the first time slot, and each repeater transmits the signal received in the first time slot as Zero- Forcing beamforming is used to transmit the signal to the target receiving end, and at the same time, each repeater receives the signal transmitted from the transmitting end, and the target receiving end receives and recovers the L(K + N) stream in the second time slot. It is characterized by

본 발명의 일 실시 예에 따른, 다중 사용자 무선 백홀 네트워크 시스템을 위한 협력 중계 방법은, 합 DoF를 개선할 수 없는 풍부한 분산 환경과는 대조적으로, 합 DoF는 적절한 협력 중계를 통해 열악한 분산 환경에서 합 DoF를 극적으로 증가될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cooperative relaying method for a multi-user wireless backhaul network system is, in contrast to a rich distributed environment where the sum DoF cannot be improved, the sum DoF is achieved in a poor distributed environment through appropriate cooperative relaying. DoF can be increased dramatically.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 중계 방법은 중계기를 갖는 랭크-부족 MIMO 다중 액세스 채널(MAC), 즉 중계기 및 송신단, 중계기 및 목적 수신단에서의 안테나의 수가 임의적인 일반적인 안테나 구성을 갖는 업 링크 MU-MIMO 랭크-결함 채널로 쉽게 확장하여 적용될 수 있다.In addition, the cooperative relay method according to an embodiment of the present invention is a rank-deficient MIMO multiple access channel (MAC) with a repeater, that is, an industry with a general antenna configuration in which the number of antennas at the repeater and transmitter, repeater, and target receiver are arbitrary. It can be easily expanded and applied to link MU-MIMO rank-fault channels.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 중계 방법은 높은 신호 대 잡음비(SNR) 영역에서의 합 DoF 및 유한 신호 대 잡음비(SNR) 영역에서 합산 전송률(sum rate) 모두에서 협력 중계 없이 직접 전송하는 것보다 향상된 성능을 가진다.In addition, the relaying method proposed according to an embodiment of the present invention transmits directly without cooperative relaying at both the sum DoF in the high signal-to-noise ratio (SNR) region and the sum rate in the finite signal-to-noise ratio (SNR) region. It has improved performance compared to

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 방식이 밀리미터파 무선 백홀 네트워크에 대한 양호한 후보 솔루션이라는 것을 나타내며, 스펙트럼 효율성을 향상시켜 거대한 데이터 트래픽을 지원함으로써, 시스템 처리량을 개선할 수 있다.Additionally, it indicates that the scheme proposed according to an embodiment of the present invention is a good candidate solution for millimeter wave wireless backhaul networks, and can improve system throughput by supporting huge data traffic by improving spectral efficiency.

또한, mmWave 무선 백홀 네트워크와 마찬가지로 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템 방식은 해상 통신이나 위성 대 지상파 네트워크에 적용될 수 있으며, 각도 확산이 매우 작은 효과를 가질 수 있다.Additionally, like the mmWave wireless backhaul network, the system method according to an embodiment of the present invention can be applied to maritime communications or satellite-to-terrestrial networks, and may have a very small angular spread effect.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 사용자 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법을 설명하기 위한 다중 사용자 MIMO 중계 방송 시스템을 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 타임슬롯에서의 협력 통신 전송 방식을 도시한 것이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 타임슬롯에서의 협력 통신 전송 방식을 도시한 것이다.
도 3은 L, K, N이 L = 2, K = 3, N = 2로 고정되어 있을 때 M에 대해 고려된 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 예들의 합DoF를 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 M, K, L이 M = 16, K = 3, L = 2로 고정되어 있을 때 N에 대해 고려된 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 합 DoF를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 M, K 및 N이 M = 12, K = 3, N = 2로 고정된 경우 채널 랭크L에 대해 고려된 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 합 DoF를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6a, 도 6b는 제안된 기존 방식에 대한 완벽한 자기 간섭 제거 사례에 대해 달성 가능한 합산 전송률을 그래프로 도시한 것이다.
도 7과 8은 불완전한 자기 간섭 제거 사례에서 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 전송전력(P)에 대한 합산 전송률을 그래프로 도시한 것이다.
Figure 1 illustrates a multi-user MIMO relay broadcasting system for explaining a cooperative communication method for a multi-user wireless backhaul network according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a shows a cooperative communication transmission method in a first timeslot according to an embodiment of the present invention.
Figure 2b illustrates a cooperative communication transmission method in a second timeslot according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 graphically shows the sum DoF of examples for the proposed method and the existing method considered for M when L, K, and N are fixed at L = 2, K = 3, and N = 2.
Figure 4 graphically shows the sum DoF for the proposed and existing methods considered for N when M, K, and L are fixed at M = 16, K = 3, and L = 2.
Figure 5 graphically shows the sum DoF for the proposed method and the existing method considered for channel rank L when M, K, and N are fixed to M = 12, K = 3, and N = 2.
Figures 6a and 6b graphically show the achievable sum data rate for the case of perfect self-interference cancellation for the proposed existing method.
Figures 7 and 8 graphically show the summed transmission rate versus transmission power (P) for the proposed method and the existing method in the case of incomplete self-interference cancellation.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In this application, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 작동을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit", "...unit", "module", and "device" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which refers to hardware, software, or a combination of hardware and software. It can be implemented as:

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Additionally, when describing components of embodiments of the present invention, terms such as first and second may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, that component may be directly connected, coupled or connected to that other component, but that component and that other component It should be understood that another component may be 'connected', 'combined', or 'connected' between elements.

본 발명의 명세서 전체에 걸쳐, 벡터 및 매트릭스를 각각 표시하기 위해 굵은 소문자 및 대문자를 사용한다. 유리수 α에 대해, 연산 α의 정수 부분을 제공한다. 행렬 A에 대해, 는 각각 A의 전치 및 복소 공액 전치를 나타낸다. 또한, |A| 및 rank(A)는 각각 A의 행렬식 및 rank를 나타낸다. 은 각각 아이덴티티 매트릭스 및 제로 매트릭스를 나타낸다. 문자 , ,...는 유한 세트를 나타내는데 사용되며, [1:n] = {1,2,..,n}이다.Throughout the specification of the present invention, bold lowercase and uppercase letters are used to indicate vectors and matrices, respectively. For rational number α, operation gives the integer part of α . For matrix A , and represents the transpose and complex conjugate transpose of A , respectively. Also, |A| and rank (A) represent the determinant and rank of A , respectively. and are respectively identity matrix and Represents the zero matrix. message , ,... is used to represent a finite set, [1:n] = {1,2,..,n}.

기대값은 로 표시된다. 평균 0 및 분산 를 갖는 원형 대칭 복소 가우시안 분포를 나타내기 위해 을 사용한다. 또한, Unif(a, b)는 간격 (a, b) 상의 연속적인 균일한 분포를 나타낸다.The expected value is It is displayed as . mean 0 and variance To represent a circularly symmetric complex Gaussian distribution with Use . Additionally, Unif(a, b) represents a continuous uniform distribution over the interval (a, b) .

이하 본 발명의 구현에 따른 다중 사용자 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a cooperative communication method for a multi-user wireless backhaul network according to the implementation of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 다중-사용자 다중-입력 다중-출력(MU-MIMO) 무선 백홀 네트워크들에 대한 협력 중계가 제안되고, 여기서 소스는 N 개의 중계기들의 도움으로 K 개의 목적 수신단들로 독립적인 메시지들을 전송하고, 여기서 중계기들은 풀-듀플렉스 모드 또는 하프-듀플렉스 모드에서 동작하는 것을 특징으로 한다. 노드들 사이의 채널 행렬들 각각이 다중 경로들의 결여로 인해 랭크-부족(rank-deficient)이 되는 가시선 지배 환경에서 데이터 전송을 하는 방법을 제공한다. 랭크 부족 환경의 경우, 다중 안테나를 사용하는 것으로부터의 다중화 이득은 심각하게 제한되고, 용량은 안테나의 수에 따라 개선될 수 없다. According to one embodiment of the present invention, cooperative relaying for multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) wireless backhaul networks is proposed, wherein a source is transmitted to K destination destinations with the help of N repeaters. Transmits independent messages, where the repeaters are characterized by operating in full-duplex mode or half-duplex mode. It provides a method of data transmission in a line-of-sight dominated environment where each of the channel matrices between nodes is rank-deficient due to the lack of multiple paths. For rank-deficient environments, the multiplexing gain from using multiple antennas is severely limited, and capacity cannot be improved with the number of antennas.

본 발명의 일 실시 예에서는 랭크 부족 결함을 극복하기 위해, 능동 반사기로서 중계기를 이용하는 신규한 협력 중계 방법을 제공한다. In one embodiment of the present invention, a novel cooperative relaying method using a repeater as an active reflector is provided to overcome the rank deficiency defect.

본 발명의 일 실시 예에 따른 방법에서 송신단은 가능한 한 균일하게 중계기를 통해 스트림들을 분배하고, 중계기들은 그들의 수신된 신호들에 기초하여 각각의 목적 수신단들의 스트림들을 추출하고 그들을 그들의 대응하는 목적 수신단들로 포워딩하는 한편, 임의의 사용자 간 및 중계기 간 간섭은 적절하게 제거되어 무효화되는 방법을 포함한다. In a method according to an embodiment of the present invention, the transmitting end distributes the streams through the repeaters as uniformly as possible, and the repeaters extract the streams of each target receiving end based on their received signals and transfer them to their corresponding target receiving ends. It includes a method for forwarding to , while any interference between users and between repeaters is appropriately removed and nullified.

본 발명의 일 실시 예에서는 풀 듀플렉스(full-duplex) 또는 하프 듀플렉스(halfl-duplex) 중계기들을 이용하여 달성 가능한 합 자유도(DoFs) 및 합산 전송률(sum rate)들을 분석하고, 중계기들이 풀-듀플렉스 모드에서 동작할 때 엄격한 합 자유도(DoF, degrees of freedom)의 상한을 도출하였다. 이러한 결과로부터 본 발명의 일 실시 예에 따른 방법이 협력중계 없이 직접 송신한 시스템과 비교하여 시스템 처리량에 상당한 개선에 대한 입증할 수 있었다.In one embodiment of the present invention, the sum degrees of freedom (DoFs) and sum rates that can be achieved using full-duplex or half-duplex repeaters are analyzed, and the repeaters are full-duplex. When operating in this mode, a strict upper limit of the degrees of freedom (DoF) was derived. From these results, it was demonstrated that the method according to an embodiment of the present invention significantly improves system throughput compared to a system that transmits directly without cooperative relay.

Ⅰ-1 (실시 예 1: MIMO 중계 방송 채널 시스템) Ⅰ-1 (Example 1: MIMO relay broadcast channel system)

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 사용자 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법을 설명하기 위한 다중 사용자 MIMO 중계 방송 시스템을 도시한 것이다.Figure 1 illustrates a multi-user MIMO relay broadcasting system for explaining a cooperative communication method for a multi-user wireless backhaul network according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 중계 방송 시스템은 하나의 송신단(Source), N 개의 중계기(Relay 1, … Relay N) 및 K 개의 목적 수신단(Destination)을 포함한다. 도 1에서 실선은 송신단(Source)과 목적 수신단(Destination) 사이의 직접 링크를 나타내고, 점선은 중계기(Relay)와 연결된 협력 링크를 나타낸다.Referring to FIG. 1, the MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) relay broadcasting system according to an embodiment of the present invention includes one transmitter (Source), N repeaters (Relay 1, ... Relay N), and K destination receivers. Includes (Destination). In Figure 1, the solid line represents a direct link between a transmitting end (Source) and a destination receiving end (Destination), and the dotted line represents a cooperative link connected to a relay (Relay).

본 발명의 일 실시 예에 따른 중계 방송 시스템은 시스템 제어부(미도시됨)에서 각 송신단, 중계기 및 목적 수신단의 신호 처리를 제어하는 것을 특징으로 한다.The relay broadcasting system according to an embodiment of the present invention is characterized in that a system control unit (not shown) controls signal processing of each transmitting end, repeater, and destination receiving end.

본 발명의 일 실시 예에 따른 중계기(Relay)는 송신과 수신을 동시에 처리하는 풀 듀플렉스(full duplex, 전이중 방식) 방식 또는 송신과 수신을 구분하여 처리하는 하프 듀플렉스(half duplex, 반이중방식) 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.The relay according to an embodiment of the present invention is a full duplex method that processes transmission and reception simultaneously, or a half duplex method that processes transmission and reception separately. It is characterized by operation.

송신단(Source), 중계기(Relay), 목적 수신단(Destination)의 각 node는 각각 M 개의 안테나가 사용된다. 각 통신 링크는 L 개의 신호경로(L paths)로 구성된다.Each node of the transmitting end (Source), relay (Relay), and destination receiving end (Destination) uses M antennas. Each communication link consists of L signal paths (L paths).

본 발명의 일 실시 예에 따른 MIMO 중계 방송 시스템은 다중경로가 부족한 환경을 고려한 것으로써, 신호경로는 안테나 수 보다 작은 것으로 설정하였다.The MIMO relay broadcasting system according to an embodiment of the present invention takes into account an environment with insufficient multipath, and the signal path is set to be smaller than the number of antennas.

그러나 신호 경로가 안테나 수보다 커도 시스템은 동작된다.However, the system operates even if the signal path is larger than the number of antennas.

도 1을 참조하면, 시간 t에서, 세트 내의 중계기(Relay)들은 각각 full duplex(풀-듀플렉스)로 송신 및 수신한다고 가정한다(half duplex(하프-듀플렉스)인 경우 이다.).Referring to Figure 1, at time t, set and It is assumed that the relays within each transmit and receive in full duplex (in the case of half duplex) am.).

여기서, 은 각각 송신 동작을 하는 릴레이의 집합과 수신 동작을 하는 중계기의 집합을 의미한다.here, and means a set of relays performing a transmitting operation and a set of repeaters performing a receiving operation, respectively.

그리고, 으로 표시된, 타임슬롯t에서 중계기(Relay) 의 수신된 신호벡터는 다음 수학식 1로 나타낸다.and, Relay in timeslot t, denoted by The received signal vector is expressed in Equation 1 below.

여기서, 은 송신단의 전송되는 신호벡터를 나타내며, 은 중계기(i)의 전송된 신호벡터를 나타내며, 은 송신단(source)으로부터 중계기(j)까지 채널 매트릭스이고, 는 중계기(i)로부터 중계기(j)까지 채널 매트릭스이며, 은 중계기(i)에서 노이즈 벡터이다. 그리고, 이다.here, represents the signal vector transmitted from the transmitting end, represents the transmitted signal vector of the repeater (i), is the channel matrix from the transmitter (source) to the repeater (j), is the channel matrix from repeater (i) to repeater (j), is the noise vector at repeater (i). and, am.

유사하게, 로 표시된, 타임슬롯 t에서 목적 수신단 의 수신된 신호벡터는 다음 수학식 2와 같이 주어진다.Similarly, The destination receiver at timeslot t, denoted by The received signal vector is given by Equation 2 below.

여기서, 는 송신단으로부터 목적 수신단(k) 까지 채널 매트릭스이고, 은 중계기(i)로부터 목적 수신단(K)까지 채널 매트릭스이며, 그리고, 는 목적 수신단(k)에서 노이즈 벡터이다. 여기서 이다. 모든 노이즈 벡터는 서로 독립적이고 신호벡터와 독립적이며 타임슬롯에 대해 독립적이라고 가정한다.here, is the channel matrix from the transmitting end to the destination receiving end (k), is the channel matrix from the repeater (i) to the destination receiving end (K), and is the noise vector at the destination receiving end (k). here am. All noise vectors are assumed to be independent of each other, signal vectors, and time slots.

또한, 모든 송신기들은 그들의 평균 송신 전력 제약들, 즉,Additionally, all transmitters are subject to their average transmit power constraints, i.e.

을 만족하여야 하며, 여기서, 는 P와 독립적인 상수이다.must be satisfied, where: is a constant independent of P.

다음에서, 노드들 사이에 L ≤ M 개의 지배적인 신호 경로들만이 존재하는 랭크-부족 채널 환경들에 집중한다. 는 각각 의 k번째 신호 경로에 대응하는 채널 매트릭스를 나타낸다고 가정한다(여기서 이다.). In the following, we focus on rank-deficient channel environments where there are only L ≤ M dominant signal paths between nodes. and are respectively and Assume that it represents the channel matrix corresponding to the kth signal path of (where am.).

키홀 효과로 인해 모든 에 대해 안테나 수 M에 관계없이 rank(F j,k (t)) = rank(E j,i,k (t)) =rank(H i ,k (t)) = rank(G i,j,k (t)) = 1이 된다.Due to the keyhole effect, all and For , regardless of the number of antennas M, rank( F j,k ( t )) = rank( E j,i,k ( t )) = rank( H i ,k ( t )) = rank( G i,j, k ( t )) = 1.

이 결과로서, 일반적인 랭크-부족 MIMO 채널을 다음 식과 같이 가정한다.As a result, a general rank-deficient MIMO channel is assumed as follows:

여기서 은 M × 1 벡터이고, 그리고, here and is an M × 1 vector, and

는 1 × M 벡터이며, 모든 계수는 연속 분포로부터 추출된다. 그러므로 F j(t), E j,i(t), H i(t) 및 G i,j(t) 의 랭크는 모두 확률 1인 L과 동일하다(L 지배적인 경로 이외의 신호 경로는 무시될 수 있다고 가정한다.). and is a 1 × M vector, and all coefficients are extracted from a continuous distribution. Therefore, the ranks of F j ( t ), E j,i ( t ), H i ( t ) and G i,j ( t ) are all equal to L with probability 1 (ignoring signal paths other than the L dominant path). Assuming it can be done).

여기서, 수학식 3의 는 각각 )의 k번째 신호 경로에 대한 수신 및 송신 안테나 어레이 응답을 나타내며, 식4의 , 식5의 및 식6의 도 유사하게 정의될 수 있다. 또한, 에서 k번째 신호 경로의 감쇠를 나타낸다. 식4에서 , 식5에서 식 6에서 도 동일하게 정의된다.Here, in Equation 3 and are respectively ) represents the receiving and transmitting antenna array response for the kth signal path, and in Equation 4 and , Equation 5 and in Equation 6 and can also be defined similarly. also, Is represents the attenuation of the kth signal path. In Equation 4 , in equation 5 In equation 6 is defined the same way.

수학식 3 ~ 6에서 설명된 채널 매트리스 구조는 rank-부족 채널이 발생할 수 있는 물리적인 이유를 설명하기 위해 key hole 기반 채널 모델이 도입되었지만, 본 발명의 일 실시 예의 결과는 특정 랭크-부족 채널 모델에 국한되지 않고 다른 일반적인 rank 부족 채널의 모델에도 적용될 수 있다.In the channel mattress structure described in Equations 3 to 6, a key hole-based channel model was introduced to explain the physical reasons why rank-deficient channels may occur, but the results of one embodiment of the present invention are based on a specific rank-deficient channel model. It is not limited to but can also be applied to other general rank-deficient channel models.

이러한 rank-부족 채널의 가정은 무선 백홀과 같은 열악한 분산 환경에서 유효하다. rank-부족 채널 환경에서는 각도 확산이 매우 작고 지배적인 다중 경로의 수가 종래의 안테나의 수에 비해 충분하지 않다.This rank-deficient channel assumption is valid in poor distributed environments such as wireless backhaul. In a rank-deficient channel environment, the angular spread is very small and the number of dominant multipaths is not sufficient compared to the number of conventional antennas.

이로부터 MIMO의 다중화 이득은 열악한 분산 환경에서 다소 제한된다. From this, the multiplexing gains of MIMO are somewhat limited in poor distributed environments.

다음 실시 예에서는 채널 랭크 부족을 극복하고 향상된 다중화 이득을 제공하기 위한 협력 중계 방식을 제안한다.In the following embodiment, a cooperative relaying method is proposed to overcome channel rank deficiency and provide improved multiplexing gain.

채널상태정보(CSI, channel state information)에 관하여, 송신기 및 수신기 측에서의 전체 CSI가 모든 노드에서 이용 가능하다고, 즉, 모든 채널 계수가 모든 노드에 완벽하게 알려져 있다고 가정한다. 채널들이 정지될 가능성이 있는 무선 백홀 네트워크들을 주로 고려하고, 이는 모든 노드들이 고정되고 노드들 사이에 단지 소수의 지배적인 신호 경로들만이 존재한다는 사실에 기인한다는 점을 고려하였다.Regarding channel state information (CSI), it is assumed that the entire CSI on the transmitter and receiver sides is available to all nodes, that is, all channel coefficients are perfectly known to all nodes. We primarily consider wireless backhaul networks where channels are likely to be down, and this is due to the fact that all nodes are fixed and there are only a few dominant signal paths between nodes.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 설정에서, 각 노드에서 전체 채널상태정보(CSI)의 획득이 가능하다.Therefore, in the setting according to an embodiment of the present invention, it is possible to obtain total channel state information (CSI) from each node.

Ⅰ-2(인코딩, 디코딩 달성 가능한 속도 및 자유도) Ⅰ-2 ( encoding, decoding achievable speed and degree of freedom)

송신단(source)은 한 세트의 메시지들{W1, W2,..., WK}을 한 세트의 전용 목적 수신단들(Destinations){1, 2,., K} 각각에 전송하기를 원한다. Wk, 로부터 랜덤하게 균일하게 선택된다고 가정한다. 여기서 n은 코드(code) 길이이고 Rk는 Wk의 전송률(rate)이다. 타임슬롯t에서, 송신단(source)은 {W1, W2,...,WK}의 함수인 인코딩된 신호 x(t)를 전송한다. 그 후, n-타임 전송들 후에, 목적 수신단은 자신의 수신된 신호벡터들 {yk(1), yk(2),...,yk (n)}에 기초하여 Wk를 복원하려고 시도한다.A source wants to transmit a set of messages {W 1 , W 2 ,..., W K } to each of a set of dedicated destinations (Destinations) {1, 2,., K} . W k is , It is assumed that it is randomly and uniformly selected from . Here, n is the code length and R k is the transmission rate of W k . At timeslot t, the source transmits an encoded signal x(t) that is a function of {W 1 , W 2 ,...,W K }. Then, after n-time transmissions, the destination receiver Attempts to restore W k based on its received signal vectors {y k (1), y k (2),...,y k (n)}.

레이트 튜플(rate tuple){R1, R2,...,RK}은, 코드 길이 n이 무한대가 됨에 따라 모든 목적 수신단에서의 디코딩 에러의 평균 확률이 0이 되도록 (2nR1 ,…,2nRK, n) 코드의 시퀀스가 존재하는 경우에 달성될 수 있다고 가정한다. 용량 영역 C는 달성 가능한 레이트 튜플(rate tuple)들{R1,...,RK}의 세트의 폐쇄를 의미한다. 그리고 합계 자유도(DoF)는 다음과 같이 종래 연구와 같은 방법을 적용하여 산출하였다(「L. Zheng and D. N. C. Tse, “and multiplexing: A fundamental tradeoff in multiple-antenna channels,”IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 49,no. 5, pp. 1073-1096, May 2003.」, 「S. A. Jafar and M. J. Fakhereddin, “of freedom for the MIMO interference channel,”IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 53, no. 7, pp. 2637-2642, Jul. 2007.」 참조).The rate tuple {R 1 , R 2 ,...,R K } is such that as the code length n becomes infinite, the average probability of decoding error at all destination receivers becomes 0 (2 nR1 ,..., 2 nRK , n) It is assumed that this can be achieved if a sequence of codes exists. Capacity area C means closure of the set of achievable rate tuples {R 1 ,...,R K }. And the total degree of freedom (DoF) was calculated by applying the same method as in previous studies as follows (「L. Zheng and DNC Tse, “and multiplexing: A fundamental tradeoff in multiple-antenna channels,” IEEE Trans. Inf. Theory , vol. 49, no. 5, pp. 1073-1096, May 2003.」, 「SA Jafar and MJ Fakhereddin, “of freedom for the MIMO interference channel,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 53, no. 7, pp. 2637-2642, Jul. 2007.”

여기서 P는 소스의 평균 전송 전력 제약 조건이다.Here, P is the average transmission power constraint of the source.

(자유도 분석) (Degree of freedom analysis)

본 발명의 일 실시 예에서는 N 개의 중계기를 갖는 (M, K, L) MIMO 방송 채널의 합 DoF를 분석한다. 달성 가능한 합 DoF 및 네트워크의 합에 대한 상한이 다음의 정리에서 언급된다.In one embodiment of the present invention, the sum DoF of (M, K, L) MIMO broadcast channels with N repeaters is analyzed. The upper bound on the achievable sum of DoF and sum of networks is mentioned in the following theorem.

(정리 1) (Theorem 1)

풀-듀플렉스 N 중계기들을 갖는 (M, K, L) MIMO 방송 채널에 대해, 다음 수학식 8의 합 DoF가 달성 가능하다.For a (M, K, L) MIMO broadcast channel with full-duplex N repeaters, the sum DoF of Equation 8 is achievable.

여기서, M, K, L, N은 자연수이다.Here, M, K, L, and N are natural numbers.

또한, 하프-듀플렉스 N 중계기를 갖는 (M, K, L) MIMO 방송 채널에 대해, 다음 식9의 합 DoF가 달성 가능하다.Additionally, for a (M, K, L) MIMO broadcast channel with half-duplex N repeaters, the sum DoF of Equation 9 is achievable.

(정리 2)(Theorem 2)

N 개의 중계기들(풀 또는 하프 듀플렉스)을 갖는 (M, K, L) MIMO 방송 채널의 합 DoF는 다음 식 10에 의해 상한이 구해진다.The upper limit of the sum DoF of (M, K, L) MIMO broadcast channels with N repeaters (full or half duplex) is obtained by the following equation 10.

정리 1과 정리 2에서 달성 가능한 합 DoF는 중계기가 풀-듀플렉스 모드에서 작동하는 경우에 상한이 매칭된다는 것에 유의하여야 한다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에서는 그 경우에 대한 합 DoF를 완전하게 특성화한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라 세부 사항을 설명함으로써 정리 1이 증명될 수 있다.It should be noted that the sum DoF achievable from Theorem 1 and Theorem 2 has an upper bound matching when the repeater operates in full-duplex mode. Therefore, in one embodiment of the present invention, the sum DoF for that case is completely characterized. Theorem 1 can be proven by explaining the details according to an embodiment of the present invention.

A 정리 1의 증명A proof of Theorem 1

(1) M≤L(K+N)이고, 풀-듀플렉스 중계기를 사용하는 경우(1) When M≤L(K+N) and using a full-duplex repeater

본 발명의 일 실시 예에서는 먼저 M≤L(K+N)과 풀-듀플렉스 중계기 모드를 사용하는 경우를 고려한다.In an embodiment of the present invention, first consider the case of using M≤L(K+N) and full-duplex repeater mode.

는 i번째 목적 수신단(목적 수신단(i))에 전달될 j번째 데이터 스트림을 나타낸다. represents the jth data stream to be delivered to the ith destination receiver (target receiver (i)).

가 타임슬롯(t)에서 목적 수신단(i)에 대한 j번째 독립 데이터 스트림을 표시한다고 가정한다. 여기서 는 i, j 및 t에 대해 독립적이다. 각 타임슬롯(t)에서 송신단은 다음 타임슬롯의 목적 수신단으로 전달되는 협력 중계를 통해 LN스트림뿐만 아니라 직접 전송을 통해 KL스트림을 목적 수신단으로 보낸다(타임슬롯은 사실상 신호의 블럭을 의미하나, 복잡성을 피하기 위해 블럭 표기는 생략함). Assume that represents the jth independent data stream for the destination receiving end (i) in timeslot (t). here is independent of i, j and t. In each timeslot (t), the transmitting end sends not only the LN stream through cooperative relaying, which is delivered to the target receiving end in the next timeslot, but also the KL stream through direct transmission to the target receiving end (a timeslot actually means a block of signals, but complexity (block notation is omitted to avoid ).

구체적으로, 식 11은 목적 수신단 i∈전용의 직접 전송을 위한 스트림 벡터를 나타낸다고 하면, 식 12는 타임슬롯t에서 협력 의존을 위한 스트림 벡터로써, 송신단에서 신호 스트림이 전달될 위치 즉, 각 중계기(Relay) 및 목적 수신단(distination)에 따라 스트림을 적절히 분배하는 방법을 나타낸다.Specifically, if Equation 11 represents a stream vector for direct transmission exclusively for the destination receiving end i∈, Equation 12 is a stream vector for cooperation dependence in timeslot t, indicating the location where the signal stream will be delivered from the transmitting end, that is, each repeater ( It shows how to properly distribute the stream according to the relay and destination.

여기서, 는 1번째 목적 수신단에 전달될 L+1번째 신호 데이터 스트림을 의미하고, 는 K 번째 목적수신단에 전달될 L+2번째 신호 데이터 스트림을 의미하는 것임, 1~N은 중계기 개수, 1~K는 목적 수신단 개수, 1~L은 전송경로 개수로 L, N, K는 자연수임,, 그리고 는 중계기로 보내지는번째에서 번째 요소로 구성되는 것을 의미하는 것임.here, means the L+1th signal data stream to be delivered to the first destination receiving end, means the L+2th signal data stream to be delivered to the Kth destination receiver, 1~N are the number of repeaters, 1~K are the number of destination receivers, 1~L are the number of transmission paths, and L, N, K are natural Acceptance, , and is a repeater sent to of in the second It means that it is composed of the first element.

그런 다음 제1 타임슬롯에서 송신단이 수학식 13의 신호 매트릭스를 보낸다.Then, in the first timeslot, the transmitter sends the signal matrix of Equation 13.

수학식 13은 송신단에서 Zero-forcing 빔 포밍을 통해 스트림 전송 시 다중 사용자 간섭을 제거하기 위한 신호를 전송하는 방법을 제시한다.Equation 13 presents a method of transmitting a signal to eliminate multi-user interference during stream transmission through zero-forcing beamforming at the transmitting end.

여기서, 를 수신단 i 에 전달하기 위한 첫 번째 시간 slot 에서의 송신 빔 성형 행렬을 의미하는 것이고, 은 수신단 i 에 전달할 데이터 스트림 벡터를 의미하는 것이며, 를 중계기 i에 전달하기 위한 첫 번째 시간 slot 에서의 송신 빔 성형 행렬을 의미하는 것이고, 은 중계기 i 에 전달할 데이터 스트림 벡터를 의미함. here, silver It means the transmission beam forming matrix in the first time slot for delivering to the receiving end i, means the data stream vector to be delivered to the receiving end i, silver It means the transmission beam forming matrix in the first time slot for transmitting to repeater i, means the data stream vector to be delivered to repeater i.

또한, ,, 와 같이 직접 전송을 위한 목적 수신단(i)에 대한 빔 포밍 행렬이다. rank 는 협력 중계를 위해 중계기(i)로 향하는 rank 동안 , , 의 빔 포밍 행렬이다. also, Is , and , This is the beam forming matrix for the destination receiving end (i) for direct transmission. rank and is the rank headed to repeater (i) for cooperative relay during , and , is the beam forming matrix of .

M≥ L(K + N)이므로 위의 조건을 충족하는 Vi(1) 및 Ui(1) 행렬을 구성할 수 있다.Since M≥ L(K + N), V i (1) and U i (1) matrices that satisfy the above conditions can be constructed.

또한, 평균 전력 제한 P를 충족하도록 Vi(1) 및 Ui(1)를 적절하게 정규화할 수 있다.Additionally, V i (1) and U i (1) can be properly normalized to meet the average power limit P.

여기서 제안된 협력 중계 방식의 주요 목적은 식 12에서 의미하는 것처럼 다중 중계기를 능동 반사기로 효율적으로 사용하여 유효 채널 rank를 최대화하기 위해 각 중계기에 가능한 한 균등하게 각 대상의 스트림을 분배하는 것이다.The main purpose of the cooperative relaying method proposed here is to distribute each target's stream as evenly as possible to each repeater in order to maximize the effective channel rank by efficiently using multiple repeaters as active reflectors, as implied in Equation 12.

본 발명에서 타임슬롯은 타임분할 다중 방식으로 데이터를 보낼 때, 각 채널에 주기적으로 할당되는 시간 간격을 의미하며, 제1타임슬롯은 첫 번째 타임슬롯, 제2 타임슬롯은 두 번째 타임슬롯을 의미한다.In the present invention, a time slot refers to a time interval periodically allocated to each channel when sending data using time division multiplexing, where the first time slot refers to the first time slot and the second time slot refers to the second time slot. do.

먼저, 제1 타임슬롯에서 송신단은 전송할 스트림들을 각 중계기에 최대한 동등하게 배분하는 방식으로 전송한다..First, in the first timeslot, the transmitter transmits the streams to be transmitted in a way that distributes them to each repeater as equally as possible.

반면에 모든 중계기는 동안 모든 에 대한 제1 타임슬롯 즉, 에 대해 신호를 전송하지 않는다. 중계기는 제1 타임슬롯에서는 신호를 전송하지 않는다.On the other hand, all repeaters while all The first timeslot for, that is, and does not transmit a signal to The repeater does not transmit a signal in the first timeslot.

목적 수신단 에서 제1타임슬롯에서 수신된 신호벡터는 식 14로 주어진다.destination receiving end The signal vector received in the first time slot is given by Equation 14.

여기서 은 수신단 k 와 송신단 사이의 채널행렬을 의미하고, 을 수신단 k 에 전달하기 위한 송신 빔 성형 행렬을 의미하며, 는 중계기 i 와 수신단 k 사이의 채널행렬을 의미하고, 은 수신단 k 에서의 잡음벡터를 의미한다.here means the channel matrix between the receiving end k and the transmitting end, silver refers to the transmission beam forming matrix for delivering to the receiving end k, means the channel matrix between repeater i and receiving end k, means the noise vector at the receiving end k.

여기서, Vk(1) 이외의 빔 형성 벡터와 관련된 스트림이 목적 수신단(k)에 도달하지 않게 하도록 이고, (b)는 Vi(1)와 Ui(1)의 제로포싱 속성에 기인한다. 결과적으로 rank=이므로, 목적 수신단(k)는 을 기반으로 , 의 스트림을 복구할 수 있다. 여기서 은 송신 동작을 하는 중계기의 집합을 의미한다.Here, so that streams associated with beamforming vectors other than V k (1) do not reach the destination receiving end (k). Is , and (b) is due to the zero forcing properties of Vi(1) and U i (1). As a result, rank = Therefore, the destination receiving end (k) is Based on , The stream can be recovered. here refers to a set of repeaters that perform transmission operations.

또한, 제1 타임슬롯에서 중계기에서 수신된 신호벡터는 수학식 15로 주어진다.Additionally, the repeater in the first timeslot The signal vector received from is given by Equation 15.

수학식 15, 16은 각 중계기(relay)가 제1 타임슬롯에서 받은 자신의 수신신호에서 각 목적 수신단(destination)에 전송할 스트림을 분리하여 추출하는 방법을 제시한다.Equations 15 and 16 present a method for each relay to separate and extract a stream to be transmitted to each destination from its received signal received in the first timeslot.

여기서 은 송신단과 중계기 j 사이의 채널행렬을 의미하고, 은 중계기i 와 중계기 j 사이의 채널행렬을 의미하며, 는 중계기 j 에서의 잡음 벡터를 의미한다. here means the channel matrix between the transmitter and repeater j, means the channel matrix between repeater i and repeater j, means the noise vector at repeater j.

수학식 15에서 는 식 14와 같이 Vi(1)와 Ui(1)의 제로포싱 속성에 기인한다. 따라서 Uj(1)과 관련된 수학식 15의 의 스트림들이 중계기(j)에 도달할 수 있다.In equation 15: is due to the zero forcing properties of V i (1) and U i (1), as shown in Equation 14. Therefore, in Equation 15 related to U j (1) The streams can reach the repeater (j).

다음으로, 에 기초하여, 중계기(j)는 목적 수신단 인덱스들에 따라 sr,j(1)에서 스트림들을 분류하려고 시도한다. 에서 목적 수신단에 대한 스트림을 나타낸다to the next, Based on, the repeater (j) according to the destination receiving end indexes We attempt to classify the streams in s r,j (1). silver At the destination receiving end represents the stream for

그런 다음, 에서 을 추출하기 위해 중계기(j)는 제로-포싱 리시버 빔포밍 매트릭스 을 yr,j(1)에 적용한다. 여기서 는 다음 식과 같이 주어진 의 관계 수(cardinality)이다.after that, at To extract the repeater (j) is a zero-forcing receiver beamforming matrix Apply to y r,j (1). here is given as the following equation: is the cardinality of .

여기서 이고, 과 연관되지 않은 의 모든 열 벡터를 무효화한다.here ego, silver not associated with Invalidates all column vectors in .

그러므로 수학식 17을 얻을 수 있다.Therefore, equation 17 can be obtained.

여기서, 이며, = 이다.here, and = am.

이러한 방식으로 중계기(j)는 모든 에 대해 sr,j,i(1)의 노이즈 버전을 얻을 수 있다.In this way, the repeater (j) For s r,j,i (1), we can obtain a noisy version.

본 발명의 일 실시 예에서는 제2타임슬롯에서 협력 중계 전략을 고려한다. 이는 제1 타임슬롯의 방식과 유사하게 송신단에서 수학식 18의 신호를 송신한다.In one embodiment of the present invention, a cooperative relay strategy is considered in the second time slot. This is similar to the method of the first timeslot, where the signal of Equation 18 is transmitted from the transmitting end.

제2 타임슬롯은 Vi(2) 및 Ui(2)가 제1타임슬롯과 동일한 방식으로 설계된다.The second timeslot is designed in such a way that V i (2) and U i (2) are the same as the first timeslot.

식 19, 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 타임슬롯에서 각 중계기(relay)가 사용자, 중계기 간 노이즈에 대한 간섭없이 해당 목적 수신단(destination)에 스트림을 전달하여 주는 방법을 제시한다.Equations 19 and 20 present a method in which each relay delivers a stream to the corresponding destination destination without interference from noise between users and relays in the second timeslot according to an embodiment of the present invention.

중계기을 다음 수학식 19와 같이 제로포싱 빔 포밍을 한다.repeater silver Zero forcing beam forming is performed as shown in Equation 19 below.

여기서 는 다음 수학식 20의 조건을 충족하는 목적 수신단(i)에 대한 스트림을 전달하는 중계기(j)의 빔 포밍 매트릭스이다.here is the beam forming matrix of the repeater (j) that delivers the stream to the destination receiving end (i) that satisfies the conditions of Equation 20 below.

여기서 은 제2 타임슬롯에서의 중계기 j 와 수신단 k 사이의 채널행렬을 의미하고, 은 제2타임슬롯에서의 중계기 j 와 중계기 k 사이의 채널 행렬을 의미하며, 는 행렬 의 행렬계수 (rank) 을 의미하는 것이다.here means the channel matrix between repeater j and receiving end k in the second timeslot, means the channel matrix between repeater j and repeater k in the second time slot, is a matrix It means the matrix coefficient (rank) of .

이므로 를 모두 만족하는 적절한 를 찾을 수 있다. Because of Appropriate to satisfy all can be found.

구체적으로, 빔포밍 매트릭스 을 목적 수신단(i)에만 전달하면서 사용자 간 간섭과 중계기간 간섭을 모두 무효화하도록 설계되었다. 또한, 평균 전력 제약 를 만족하도록 를 적절하게 정규화할 수 있다. 또한 임을 알 수 있다.Specifically, the beamforming matrix Is It is designed to nullify both user-to-user interference and relay-to-relay interference while delivering only to the intended receiving end (i). Additionally, the average power constraint to satisfy can be properly normalized. also You can see that it is.

그런 다음 목적 수신단에서 제2 타임슬롯에서 수신된 신호 벡터는 다음 수학식21과 같이 주어진다.Then the destination receiving end The signal vector received in the second timeslot is given by Equation 21 below.

여기서 의 제로포싱 속성에 기인한 것이다.here Is This is due to the zero forcing properties of .

에 각각에 의해 주어진 결과 유효 채널을 나타낸다. and Is and The results given by each indicate the valid channels.

그리고,and,

이다. am.

또한,also,

또한, also,

따라서 로 표시된 매트릭스 식23의 rank는 다음 식24로 주어진다.thus The rank of the matrix Equation 23 indicated by is given by the following Equation 24.

수학식 24는 에 기인한 것이다.Equation 24 is It is caused by.

따라서 K목적 수신단은 인 경우 원하는 스트림(α + L + 1)개를 복구할 수 있거나, 그렇지 않으면 제2 타임슬롯에서 원하는 스트림을 (α + L)개 복구할 수 있다.Therefore, the K purpose receiving end is In this case, (α + L + 1) desired streams can be recovered, otherwise, (α + L) desired streams can be recovered in the second timeslot.

결과적으로 모든 K목적 수신단을 고려하면 총 αK + β + KL = L(K + N)스트림은 제2 타임슬롯 동안 전송될 수 있다.As a result, considering all K destination receiving ends, a total of αK + β + KL = L(K + N) streams can be transmitted during the second timeslot.

반면에 로 세팅하면, 수신된 제2 타임슬롯의 중계기 j∈[1 : N] 에서의 신호는 수학식25에 의해 주어진다.on the other side When set to , the signal at repeater j∈[1:N] of the received second timeslot is given by Equation 25.

여기서 의 제로-포싱 특성으로 인해 중계기 간 간섭이 완전히 제거된다.here Is Due to its zero-forcing characteristics, interference between repeaters is completely eliminated.

결과적으로 Uj(2)와 관련된 스트림만 수학식 15와 유사하게 중계기(j)에도달할 수 있다.As a result, only the stream related to U j (2) can reach the repeater (j), similar to Equation 15.

더욱이, 제1 타임슬롯에서와 동일한 단계를 수행함으로써, 의 스트림은 다음 타임슬롯에서 전송되기 전에 목적 수신단 인덱스 분류에 따라 추출되고 분류될 수 있다.Moreover, by performing the same steps as in the first timeslot, The stream can be extracted and classified according to the destination index classification before being transmitted in the next timeslot.

요약하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방법에 따라 총(2KL + NL) 스트림이 2개의 타임슬롯에 걸쳐 복구될 수 있다.In summary, the total (2KL + NL) stream can be recovered over two timeslots according to the method according to an embodiment of the present invention.

더욱이, 우리가 이 전송 전략을 재귀적으로 T 개의 타임슬롯들에 적용하면, 총(TKL +(T- 1)NL)개의 스트림들이 유사한 방식으로 전송될 수 있다Moreover, if we apply this transmission strategy recursively to T timeslots, a total of (TKL + (T- 1)NL) streams can be transmitted in a similar manner.

결과적으로 T →∞로 하면 식26의 합 DoF를 얻을 수 있다.As a result, if T →∞, the sum DoF of Equation 26 can be obtained.

(2) M≥ L(K + N)이며, 하프 듀플렉스 중계기를 사용하는 경우, (2) When M≥ L(K + N) and using a half-duplex repeater,

하프 듀플렉스 중계기로 달성 가능한 방식은 풀 듀플렉스 중계기를 약간 수정하여 얻을 수 있으므로 반복을 피하기 위해 이하에서는 하프 듀플렉스 중계기로 인한 주요 변경 사항을 설명하기로 한다.The methods that can be achieved with a half-duplex repeater can be achieved by slightly modifying the full-duplex repeater, so to avoid repetition, the main changes caused by the half-duplex repeater will be described below.

하프 듀플렉스 모드의 경우 중계기는 각 타임슬롯에서 전송하거나 수신을 할 수 있다.In half duplex mode, the repeater can transmit or receive in each timeslot.

따라서 풀 듀플렉스 방식과 달리 모든 중계기는 제2타임슬롯에서 전송 모드로 작동하도록 설정된다. 즉, , 이는 자연스럽게 를 초래한다. 또한, 충분히 큰 T 타임슬롯에 걸쳐 작동하는 풀 듀플렉스 방식과 달리 달성 가능한 방식에 대해 T를 T = 2로 제한한다.Therefore, unlike the full duplex method, all repeaters are set to operate in transmission mode in the second time slot. in other words, , which naturally causes Additionally, unlike full-duplex schemes that operate over sufficiently large T timeslots, we limit T to T = 2 for achievable schemes.

풀 듀플렉스 중계기로 달성 가능한 방식은 하프 듀플렉스 중계기가 있는 네트워크에 적용할 수 있으며 결과적으로 다음 수학식27을 달성할 수 있다.The method that can be achieved with a full duplex repeater can be applied to a network with a half duplex repeater, and as a result, the following Equation 27 can be achieved.

따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 중계 방법은 다중경로가 부족한 랭크- 부족 채널 환경에서 하프 듀플렉스 중계기를 기반으로 하는 백홀 네트워크를 위한 협력 전송 방법을 제공할 수 있다.Therefore, the cooperative relay method according to an embodiment of the present invention can provide a cooperative transmission method for a backhaul network based on a half-duplex repeater in a rank-deficient channel environment with insufficient multipath.

(3) M<L(K + N)이며, 풀 듀플렉스 또는 하프 듀플렉스 중계기를 사용하는 경우,(3) If M<L(K + N) and using a full duplex or half duplex repeater,

먼저, 풀 듀플렉스 중계기가 있는 네트워크를 고려합니다. 이 경우 네트워크에서 K1≤K 및 N1≤ N 조건인 M ≥ L(K1 + N1)이 충족되도록 K 개의 목적 수신단 중 K1개만 활성화하고 N개의 중계기 중 N1개만 활성화한다.First, consider a network with full duplex repeaters. In this case, in the network, only K 1 of the K destination receivers is activated and only N 1 of the N repeaters is activated so that the conditions K 1 ≤ K and N 1 ≤ N, M ≥ L(K 1 + N 1 ), are satisfied.

그러면 네트워크는 N1 개의 풀 듀플렉스 중계기가 있는 (M,K1, L) 방송 채널이 되며, 앞서 설명한 대로 풀 듀플렉스 중계기를 사용하여 제안된 달성 가능한 방식을 직접 적용할 수 있다.The network then becomes a (M,K 1 , L) broadcast channel with N1 full duplex repeaters, and the proposed achievable scheme can be directly applied using full duplex repeaters as explained earlier.

또한, 조건에서 의 합 DoF를 최대화하는 로 표시되는 최적의 쌍을 쉽게 선택할 수 있다.also, under conditions Maximizing the sum DoF of Optimal, denoted by Choosing a pair is easy.

마지막으로 추가 DoF를 얻을 수도 있다.added last You can also get DoF.

여기서 이며, 인 경우 하나의 추가 목적 수신단을 활성화하여 직접 전송하거나, 그렇지 않으면 하나의 추가 중계를 활성화 하여 협력 중계 전송을 통해 전송한다(K1 = K인 경우 M <L(K + N)이 가정되고 따라서 활성화할 추가 중계기가 하나 이상 남아 있기 때문에 은 N보다 작아야 한다.).here and If , one additional destination receiver is activated and transmitted directly, otherwise, one additional relay is activated and transmitted through cooperative relay transmission (if K 1 = K, M < L (K + N) is assumed and thus activated Because there is at least one additional repeater left to do. must be less than N.).

결과적으로, M의 합 DoF는 달성 가능하다.As a result, the sum DoF of M is achievable.

이제 하프 듀플렉스 중계기가 있는 네트워크에 대해 살펴본다.Now let's look at a network with half-duplex repeaters.

먼저, KL < M < L(K + N)인 경우를 고려한다. 이 경우 N 개의 중계기 중 N2개의 중계기만 활성화한다. 여기서 이다.First, consider the case where KL < M < L(K + N). In this case, only N 2 repeaters among N repeaters are activated. here am.

그러면 네트워크는 N2개의 하프 듀플렉스 중계기가 있는 (M,K,L) 방송채널이 되며 위에서 설명한 대로 직접 하프 듀플렉스 중계기를 사용하여 제안된 달성 가능한 방식을 다시 적용할 수 있다. 또한, 하나의 추가 중계기를 활성화하여 협력 중계 전송을 통해 두 개의 타임슬롯에 걸쳐 추가 M - L(K + N2) 스트림을 보낼 수도 있다.The network then becomes a (M,K,L) broadcast channel with N 2 half-duplex repeaters, and the proposed achievable approach can again be applied using direct half-duplex repeaters as described above. Additionally, one additional repeater can be activated to send an additional M - L(K + N 2 ) stream over two timeslots through cooperative relay transmission.

결과적으로, 식28의 합 DoF는 달성 가능하다.As a result, the sum DoF of equation 28 is achievable.

마지막으로, 인 경우, M의 합 DoF는 협력 중계 없이 직접 전송만으로 달성될 수 있다. 이것으로 정리 1에 대해 증명되었다.finally, In this case, the sum DoF of M can be achieved only through direct transmission without cooperative relaying. This proves Theorem 1.

이제 정리 2를 증명한다.Now we prove Theorem 2.

B. 정리 2의 증명B. Proof of Theorem 2

모든 목적 수신단과 완전한 협력이 이루어지는 중계기를 고려한다. 그러면 네트워크는 채널 랭크가 인 M 개의 송신 안테나와 M(K + N)개의 수신 안테나가 있는 단일 사용자 MIMO 채널이 된다. 또한, 단일 사용자 MIMO 채널에서 링크 용량이 무한인 수신기에서 송신기로의 무-노이즈 피드백 링크가 있다고 가정한다. 완전한 협력을 허용하거나 피드백 링크를 추가해도 용량이 줄어들지 않기 때문에 이 새 채널은 분명히 원래 채널보다 크다. 피드백은 메모리 없는 점 대 점 채널의 용량을 증가시킬 수 없으며, MIMO 채널의 합 DoF는 채널 랭크에 의해 결정된다는 것은 이전 연구에서도 잘 알려져 있다.Consider a repeater with full cooperation with all destination receivers. Then the network determines the channel rank It becomes a single-user MIMO channel with M transmit antennas and M(K + N) receive antennas. Additionally, we assume that there is a noise-free feedback link from the receiver to the transmitter with infinite link capacity in a single user MIMO channel. This new channel is obviously larger than the original channel, as allowing full collaboration or adding feedback links does not reduce capacity. It is well known from previous research that feedback cannot increase the capacity of a point-to-point channel without memory, and that the sum DoF of a MIMO channel is determined by the channel rank.

따라서 새 네트워크의 합 DoF는 로 지정될 수 있다. 결과적으로 원래 네트워크의 합 DoF는 로 상한이 지정되어 정리 2의 증명이 입증된다.Therefore, the sum DoF of the new network is It can be specified as . As a result, the sum DoF of the original network is The upper bound is specified as , and the proof of Theorem 2 is proven.

다음은 본 발명에 대한 실시 예를 통해 상세하게 설명한다.Next, the present invention will be described in detail through examples.

도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 타임슬롯에서의 협력 통신 전송 방식을 도시한 것이다.Figure 2a shows a cooperative communication transmission method in a first timeslot according to an embodiment of the present invention.

도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 타임슬롯에서의 협력 통신 전송 방식을 도시한 것이다.Figure 2b illustrates a cooperative communication transmission method in a second timeslot according to an embodiment of the present invention.

도 2a, 도 2b를 참조하면, 송신안테나 개수 M= 5, 목적 수신단 개수 K= 2, 중계기 개수 N = 3, 신호경로 L = 1이고 첫 번째와 두 번째 타임슬롯에서 중계기가 풀 듀플렉스 모드에서 작동하는 경우를 고려하였다. 는 i번째 목적 수신단에 전달될 j번째 데이터 스트림을 나타내며, s1,2(1)의 노이즈 버전을 나타낸다.Referring to Figures 2a and 2b, the number of transmitting antennas M = 5, the number of target receiving ends K = 2, the number of repeaters N = 3, the signal path L = 1, and the repeater operates in full duplex mode in the first and second timeslots. The case was considered. represents the jth data stream to be delivered to the ith destination receiver, Is s 1 , 2 represents the noise version of (1).

도 2a를 참조하면, 첫 번째 타임슬롯에서 이전 [정리 1의 증명]에서 설명한 달성 가능한 방식에 따라 송신단(souece)은 s1,1(1) 및 s2,1(1)을 각각 목적 수신단 Destination 1 및 Destination 2에 전달하고 동시에 균등하게 분배한다. 송신단(souece)은 신호 데이터스트림s1,2(1), s2,2(1), s1,3(1)을 각각 제로 포싱 빔포밍으로 중계기(Relay) Relay 1, Relay 2, Relay 3으로 전송한다. 이러한 제로 포싱 전송 방법은 M≥L(N+K)이어서 실행될 수 있다. 그러면 각 목적 수신단는 제1 타임슬롯에서 원하는 스트림 si,1(1)을 복구할 수 있다. 또한 중계기(Relay)는 수신된 신호를 저장한다.Referring to Figure 2a, in the first timeslot, according to the achievable method described in the previous [Proof of Theorem 1], the transmitting end (souece) sends s 1 , 1 (1) and s 2 , 1 (1) to the destination receiving end, respectively. Deliver to Destination 1 and Destination 2 and distribute equally. The transmitting end (souece) transmits the signal data streams s 1 , 2 (1), s 2 , 2 (1), s 1 , 3 (1) through zero-forcing beamforming, respectively, to relays Relay 1, Relay 2, Relay 3. send to This zero forcing transmission method can be implemented as M≥L(N+K). Then, each destination receiving terminal Can recover the desired stream s i , 1 (1) in the first timeslot. Additionally, the relay stores the received signal.

즉, 제1 타임슬롯에서 송신단은 각 중계기 및 목적 수신단으로 스트림을 하나씩 분배한다. 이때 다른 곳에 간섭을 미치지 않고 각 스트림을 원하는 곳에만 정확히 전달하기 위해 제로 포싱 빔 포밍을 사용한다. 각 목적 수신단은 스트림을 한 개씩 디코딩 복구가 가능하다.That is, in the first timeslot, the transmitting end distributes streams one by one to each repeater and the destination receiving end. At this time, zero forcing beam forming is used to accurately deliver each stream to the desired location without causing interference elsewhere. Each destination receiving end can decode and restore streams one by one.

도 2b를 참조하면, 제2 타임슬롯에서 송신단은 신호 데이터 스트림s1,1(2), s2,1(2), s1,2(2), s2,2(2) 및 s1,3(2)를 목적 수신단 Destination 1, 목적 수신단 Destination 2, 중계기 Relay 1, Relay 2 및 Relay 3에 각각 제1 타임슬롯의 전송 방식과 유사하게 전송한다. 반면에 중계기 Relay 1과 Relay 3은 신호 데이터스트림 s1,2(1) 및 s1,3(1)의 노이즈 버전을 각각 목적 수신단 Destination 1로 보내고 중계기 Relay 2는 s2,2(1)의 노이즈 버전을 목적 수신단 Destination 2로 보낸다. 중계기는 제로 포싱 빔포밍을 사용하여 사용자 간 또는 중계기 간 간섭을 일으키지 않는다. 또한, 중계기는 제2 타임슬롯에서 전송된 송신단으로부터의 스트림 신호를 수신한다. Referring to Figure 2b, in the second timeslot, the transmitting end transmits signal data streams s 1,1 (2), s 2,1 (2), s 1 , 2 (2), s 2 , 2 (2), and s 1. , 3 (2) is transmitted similarly to the transmission method of the first timeslot to the destination receiving end Destination 1, the destination receiving end Destination 2, and the repeater Relay 1, Relay 2, and Relay 3, respectively. On the other hand, relays Relay 1 and Relay 3 send noise versions of signal data streams s 1 , 2 (1) and s 1 , 3 (1) to destination 1, respectively, and relay 2 sends s 2 , 2 (1). The noise version is sent to destination 2. The repeater uses zero forcing beamforming and does not cause interference between users or between repeaters. Additionally, the repeater receives a stream signal from the transmitter transmitted in the second timeslot.

결과적으로 목적 수신단 Destination 1은 {s1,2(1), s1,3(1), s1,1(2)} 스트림을 복구할 수 있다. 목적 수신단 Destination 2는 두 번째 타임슬롯에서 {s2,2(1), s2,1(2)} 스트림을 복구할 수 있다.As a result, destination destination Destination 1 can recover the {s 1,2 (1), s 1,3 (1), s 1,1 (2)} streams. The intended receiving end, Destination 2, can recover the {s 2,2 (1), s 2,1 (2)} stream in the second timeslot.

즉, 제2타임슬롯에서도 제1 타임슬롯과 마찬가지로 송신단은 각 중계기 및 목적 수신단으로 스트림을 하나씩 분배하여 전송한다. 중계기는 제1 타임슬롯에서 받은 스트림을 제로 포싱 빔포밍을 사용하여 다른 곳에 간섭을 미치지 않고 해당 목적 수신단에만 정확하게 전달한다. 결과적으로 목적 수신단 1은 3개의 스트림, 목적 수신단2는 2개의 스트림의 복구가 가능하다.That is, in the second time slot, as in the first time slot, the transmitting end distributes and transmits one stream to each repeater and the destination receiving end. The repeater uses zero forcing beamforming to accurately deliver the stream received in the first timeslot only to the target receiving end without causing interference elsewhere. As a result, target receiver 1 can recover three streams, and target receiver 2 can recover two streams.

요약하면, 총 7개의 스트림이 2개의 타임슬롯에 걸쳐 전송될 수 있다. 하프 듀플렉스 중계기로 사용하게 되면, 달성된 다중화 이득(합 DoF)은 7/2=3.5이다. 그리고 만약 동시에 송, 수신을 할 수 있는 풀 듀플렉스 중계기를 사용할 경우에는 다중화 이득(합 DoF)이 5로 증가된다(듀플렉스 중계기를 사용할 경우에는 초기 전송 때만 제외하고 항상 제2 타임슬롯과 같이 동작이 가능하다.)In summary, a total of 7 streams can be transmitted over 2 timeslots. When used as a half-duplex repeater, the achieved multiplexing gain (sum DoF) is 7/2=3.5. And if you use a full duplex repeater that can transmit and receive at the same time, the multiplexing gain (sum DoF) increases to 5 (when using a duplex repeater, it can always operate in the second timeslot except for initial transmission) do.)

중계기 없이 직접 전송하는 경우 DoF의 합이 2에 불과하다는 사실을 고려하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신 중계기 방식은 간단하지만 열악한 분산 환경에서 전송 용량을 크게 증가시킬 수 있다.Considering the fact that the sum of DoF is only 2 when transmitting directly without a repeater, the cooperative communication repeater method according to an embodiment of the present invention is simple, but can significantly increase transmission capacity in a poor distributed environment.

또한, 달성 가능한 DoF를 풀 듀플렉스 및 하프 듀플렉스 중계기와 비교하여 풀 듀플렉스 모드로 작동하면 합계 DoF를 더욱 향상시킬 수 있다.Additionally, by comparing the achievable DoF with full duplex and half duplex repeaters, operating in full duplex mode can further improve the total DoF.

C. 정리 1: MIMO 중계기 다중 액세스 채널로 적용C. Theorem 1: Applying MIMO repeater to multiple access channels

본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신방법은 유사한 방식으로 중계기가 있는 상향링크 MUM IMO 시스템에서 랭크 부족 채널과 같은 랭크가 부족한 MAC(Multiple Access Channel)로 쉽게 확장될 수 있다.The cooperative communication method according to an embodiment of the present invention can be easily extended to a rank-deficient MAC (Multiple Access Channel) such as a rank-deficient channel in an uplink MUM IMO system with a repeater in a similar manner.

N 개의 중계기가 있는 (M,K,L) 다중 액세스 채널은 K 개의 송신단이 N 개의 중계기의 도움으로 목적 수신단에 독립적인 메시지를 보내려고 시도하는 네트워크를 나타내며 목적 수신단, 송신단 및 중계기에는 각각 M 개의 안테나가 장착된다. 여기서 각 채널 랭크는 L ≤ M입니다. 그러면 달성 가능한 합 DoF와 N 중계기가 있는 (M,K,L)다중 액세스 채널의 합 DoF에 대한 상한은 각각 정리 1 및 2에서와 동일하다.A (M,K,L) multiple access channel with N repeaters represents a network in which K transmitting ends attempt to send independent messages to the destination receiving end with the help of N repeaters, where each of the destination receiving ends, transmitting ends and repeaters has M Antenna is installed. Here, each channel rank is L ≤ M. Then, the achievable sum DoF and the upper bound on the sum DoF of (M,K,L)multiple access channels with N repeaters are the same as in Theorems 1 and 2, respectively.

M ≥ L(K + N)이고 중계기가 풀 듀플렉스에서 작동하는 경우를 고려하면, 첫 번째 타임슬롯에서 각 송신단은 L 개의 독립 스트림을 목적지로 전송한다. 이는 중계기에 도달하지 않으며, 동시에 L 개의 독립 스트림을 각 중계기에 전송한다. 는 방송 채널의 경우와 유사한 zero-forcing beam-forming을 통해 전용 중계기 이외의 중계기와 마찬가지로 목적지에 도달하지 않는다.Considering the case where M ≥ L(K + N) and the repeater operates in full duplex, each transmitter in the first timeslot Sends L independent streams to the destination. It never reaches a repeater, and simultaneously sends L independent streams to each repeater. send to does not reach the destination like repeaters other than dedicated repeaters through zero-forcing beam-forming similar to that of broadcast channels.

그런 다음 목적 수신단은 제1 타임슬롯에서 KL 스트림을 복구할 수 있다. 이 전송 전략은 앞서 설명한 이유와 유사하게 M≥L(K + N)이므로 실행 가능하다.Then, the destination receiving end can recover the KL stream in the first timeslot. This transmission strategy is feasible because M≥L(K + N), similar to the reasons explained previously.

제1 타임슬롯에서, 각 송신단은 어떠한 중계기에도 도달하지 않는 L 개의 독립 스트림을 목적 수신단으로 전송하고, 동시에, 전용 중계기 이외의 중계기[1: N]는 제로 빔 형성의 경우와 마찬가지로 목적 수신단 이외의 중계기를 통해 L 개의 독립된 스트림[1cing: K]을 목적 수신단으로 전송한다. 그 후, 목적 수신단은 제1 타임슬롯에서 KL 스트림을 복구할 수 있다. 이 전송 전략은 섹션 III-A에서 주어진 이유와 유사하게 M > L(K·N) 이기 때문에 실현가능하다.In the first timeslot, each transmitting end transmits L independent streams that do not reach any repeater to the destination receiving end, and at the same time, repeaters other than the dedicated repeater [1: N] transmit L independent streams [ 1cing: K] is transmitted to the destination receiving end. Afterwards, the destination receiving end can recover the KL stream in the first timeslot. This transmission strategy is feasible because M > L(K·N), similar to the reasons given in Section III-A.

제2 타임슬롯에서 각 송신단에 대한 전송 방식은 제1 타임슬롯과 동일하다. 동시에 각 중계기는 첫 번째 타임슬롯에서 이전에 수신한 신호를 목적 수신단으로 전달하고 Zero-Forcing 빔포밍을 사용하여 다른 중계기에 도달하는 것을 방지한다. 또한, 동시에 각 중계기는 송신단에서 전송된 신호를 수신한다. 결과적으로 목적 수신단에서는 제2 타임슬롯에서 L(K + N) 스트림을 수신하고 복구할 수 있다.The transmission method for each transmitter in the second timeslot is the same as the first timeslot. At the same time, each repeater transmits the previously received signal in the first timeslot to the destination receiver and prevents it from reaching other repeaters using Zero-Forcing beamforming. Additionally, at the same time, each repeater receives the signal transmitted from the transmitter. As a result, the destination receiving end can receive and recover the L(K + N) stream in the second timeslot.

요약하면, 총 (2KL + LN)개의 스트림이 2개의 타임슬롯에 걸쳐 전송될 수 있다.In summary, a total of (2KL + LN) streams can be transmitted over two timeslots.

또한, T가 충분히 큰 T 타임슬롯에 대해 이 전송 방식을 재귀적으로 적용하면 L(K + N)의 합 DoF를 얻을 수 있다.Additionally, by recursively applying this transmission method to T timeslots where T is sufficiently large, the sum DoF of L(K + N) can be obtained.

다른 경우에 대해 달성 가능한 합 DoF도 유사하게 증명될 수 있다.The achievable sum DoF for other cases can be similarly proven.

역으로, 이러한 시스템은 이제 중계기와 송신단 간의 완전한 협력을 허용하고, 네트워크는 M(K + N)개의 송신 안테나와 M 개의 수신 안테나가 있는 채널 랭크는 min{M,L(K + NS)}인 단일 사용자 MIMO 채널이 된다.Conversely, these systems now allow full cooperation between repeaters and transmitters, and the network has M(K + N) transmit antennas and M receive antennas with channel rank min{M,L(K + NS)}. It becomes a single user MIMO channel.

따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신방법을 적용하면, 상향링크 MUMIMO 시스템에서 랭크 부족 채널과 같은 랭크가 부족한 MAC(Multiple Access Channel)로 쉽게 확장될 수 있다.Therefore, by applying the cooperative communication method according to an embodiment of the present invention, it can be easily expanded to a rank-deficient MAC (Multiple Access Channel) such as a rank-deficient channel in an uplink MUMIMO system.

정리 2: 일반 안테나 구성에 적용Theorem 2 : Apply to general antenna configuration

본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 중계 통신방법은 송신단, 중계기, 목적지의 안테나 수가 임의인 경우까지 확장될 수 있다.The cooperative relay communication method according to an embodiment of the present invention can be extended to cases where the number of antennas at the transmitting end, repeater, and destination is arbitrary.

Ms, Mr, Md는 각각 송신단, 중계기 및 목적지의 안테나 수를 나타낸다. 그런 다음 본 발명의 일 실시 예에 따른 중계 통신방법을 적용하면, 합계 DoF는 각각 달성 가능한 풀 듀플렉스 및 하프 듀플렉스에서 다음 식으로 나타낼 수 있다.Ms, Mr, and Md represent the number of antennas at the transmitting end, repeater, and destination, respectively. Then, by applying the relay communication method according to an embodiment of the present invention, the total DoF can be expressed by the following equation in each achievable full duplex and half duplex.

여기서,here,

이며, 수학식 29는 풀 듀플렉스 중계인 경우, 수학식 30은 하프 듀플렉스 중계기인 경우를 나타낸다. 여기서 K*와 N*은 각각 K와 N의 최적 값을 의미한다. , Equation 29 represents the case of a full duplex repeater, and Equation 30 represents the case of a half duplex repeater. Here, K* and N* mean the optimal values of K and N, respectively.

(입증)(proof)

아래 설명은 설명의 중복을 피하기 위해 안테나 구성의 일반화로 인해 도입된 수정 사항에 중점을 두고 설명한다.The description below focuses on the modifications introduced due to generalization of antenna configuration to avoid duplication of explanation.

먼저, 시스템 제어부는 위의 조건 식31을 만족하는 K*와 N*을 선택하는 단계가 수행된다. 이때 두 개의 타임슬롯을 고려한다. 그런 다음 앞서 식11에서 설명한 것과 유사한 방식으로 송신단은 스트림을 직접 전송을 통해 목적 수신단으로 보내고, 스트림은 이후 각 타임슬롯에서 협력 중계를 통해 보내는 단계가 수행된다. 마찬가지로, 각 중계기는 수신된 신호를 기반으로 각 목적 수신단의 스트림을 적절하게 추출하고 이후 사용자 간 및 중계기 간 간섭을 일으키지 않고 해당 목적 수신단으로 전달하는 단계를 수행한다. First, the system control unit selects K* and N* that satisfy the above condition Equation 31. At this time, two time slots are considered. Then, in a manner similar to that previously described in Equation 11, the transmitting end Send the stream to the destination receiving end through direct transmission, The stream is Afterwards, the sending step through cooperative relay is performed in each timeslot. Likewise, each repeater appropriately extracts the stream of each destination receiver based on the received signal and Afterwards, the step of transmitting to the target receiving end without causing interference between users and repeaters is performed.

또한, 목적 수신단인 경우 원하는 스트림을 로 복구할 수 있으며, 그렇지 않으면 제2 타임슬롯에서 원하는 스트림을 로 복구할 수 있다. 여기서 , 이며, 수학식 31의 세 번째 조건으로 인해 이다.Additionally, the destination receiving end silver If the desired stream is Otherwise, you can recover the desired stream in the second timeslot. It can be restored with here , , and due to the third condition of Equation 31, am.

결과적으로 총 스트림이 제2 타임슬롯 동안 전송될 수 있다.As a result, total The stream may be transmitted during the second timeslot.

이러한 사실을 고려하면 일반적인 안테나 구성의 경우 수학식 29 및 수학식 30에 명시된 합산 DoF는 각각 풀 듀플렉스 및 하프 듀플렉스 중계기로 달성할 수 있음을 알 수 있다.Considering these facts, it can be seen that for a typical antenna configuration, the summed DoF specified in Equation 29 and Equation 30 can be achieved with a full duplex and half duplex repeater, respectively.

정리 2를 일반 안테나 구성으로 확장하여 일반 안테나 구성에 대해 합 DoF가 수학식 32와 같이 상한을 이루는 것을 알 수 있다.By extending Theorem 2 to a general antenna configuration, it can be seen that the sum DoF for a general antenna configuration reaches an upper limit as shown in Equation 32.

따라서 수학식 29에서 달성 가능한 합 DoF는 각 노드의 안테나 수가 과와 같이 충분히 크면 수학식 32의 상한과 일치한다.Therefore, the achievable sum DoF in Equation 29 is the number of antennas at each node. If it is large enough, it matches the upper limit of Equation 32.

다음은 각각 다른 적용예에 대하여 설명한다.Next, different application examples are explained.

(적용 예1, 직접 전송(direct transmission))(Application example 1, direct transmission)

협력 중계 없이 직접 전송만 하는 경우(즉, N = 0인 경우) 정리 1과 2에서 DoF의 합은 이 된다.In the case of only direct transmission without cooperative relaying (i.e., when N = 0), the sum of the DoF from Theorems 1 and 2 is This happens.

이 결과는 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신 방식에서 DoF 합 개선을 얻기 위한 필요조건은 임을 의미한다.This result shows that the necessary condition for obtaining DoF sum improvement in the cooperative communication method according to an embodiment of the present invention is It means that

(적용 예2. 풀 랭크 케이스(Full-rank case))(Application example 2. Full-rank case)

풀- 랭크 채널의 경우, 즉 L = M의 경우, 합 DoF는 정리 1 및 2로부터 M이 되며, 이는 협력 중계 없이 직접 전송을 통해 얻을 수 있는 합 DoF와 동일하다. 이 결과는 이전 연구에서 논의된 것처럼 협력 중계가 풀 랭크 채널에 대한 합 DoF를 향상시킬 수 없음을 보여준다. 그러나 정리 1에서 볼 수 있듯이 협력 중계는 특정 조건에서 열악한 부족 분산 환경에 대해 합 DoF를 증가시킬 수 있다.For a full-rank channel, i.e., L = M, the sum DoF becomes M from Theorems 1 and 2, which is the same as the sum DoF that can be obtained through direct transmission without cooperative relaying. This result shows that cooperative relaying cannot improve the sum DoF for full-rank channels, as discussed in previous studies. However, as can be seen in Theorem 1, cooperative relaying can increase the sum DoF for poor sparsely distributed environments under certain conditions.

(적용 예3: 타임분할(Time division))(Application example 3: Time division)

각 타임슬롯에서 하나의 목적지만 활성화되는 타임분할 전송을 고려한다. 이 경우 풀 듀플렉스 및 하프 듀플렉스 중계기로 달성 가능한 합 DoF는 각각 로 나타낸다.Consider time-division transmission in which only one destination is active in each timeslot. In this case, the sum DoF achievable with full duplex and half duplex repeaters are respectively and It is expressed as

하프 듀플렉스 중계기를 사용한 타임분할은 이전 연구에서 제안한 방식으로 복구될 수 있다.Time division using half-duplex repeaters can be recovered in the manner proposed in previous studies.

(적용 예4: 중계기에서 순방향 채널상태정보(CSI, channel state information)가 없는 경우)(Application example 4: When there is no forward channel state information (CSI) in the repeater)

중계기에서 순방향 CSI를 사용할 수 없는 경우, 즉, 각 중계기(i)가 매트릭스 의 계수를 알지 못하는 경우를 고려한다. 이 경우 중계기는 CSI가 없기 때문에 사용자 간 간섭 제거 또는 중계기 간 간섭 제거를 수행할 수 없다. 대신, 이 경우 더 나은 성능을 얻기 위해 적용 예1에서 직접 전송 또는 적용 예 3에서의 타임분할 전송방법을 적응시켜서 선택적으로 적용할 수 있다.If forward CSI is not available at the repeaters, that is, each repeater (i) and Consider the case where the coefficient of is not known. In this case, since the repeater does not have CSI, it cannot perform interference cancellation between users or between repeaters. Instead, in this case, to obtain better performance, the direct transmission in Application Example 1 or the time division transmission method in Application Example 3 can be adapted and selectively applied.

따라서 풀 듀플렉스 및 하부 듀플렉스 중계기에서 달성 가능한 합 DoG는 각각 로 나타낼 수 있다.Therefore, the sum DoG achievable in full duplex and bottom duplex repeaters is respectively and It can be expressed as

따라서, 목적 수신단 K의 개수에 비해 중계기의 개수 N이 충분히 클 때 중계기를 사용함으로써 이득을 얻을 수 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that benefits can be obtained by using repeaters when the number N of repeaters is sufficiently large compared to the number of target receiving ends K.

Ⅲ. 합산 전송률(SUM RATE) 분석 Ⅲ. SUM RATE analysis

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 합 DoF 외에 유한 SNR 영역에서 제안된 방식의 합산 전송률(sum rate)도 유도할 수 있다. 먼저, 풀 듀플렉스 중계기의 경우를 고려한다. 단순화를 위해 M/L이 정수라고 가정한다. 또한, 정리 1에 따라 풀 듀플렉스 모드에서 합 DoF를 최대화하는 최적의 K와 N을 선택하고 통신이 충분히 큰 타임슬롯 T에서 발생한다고 가정한다. 그런 다음 수학식 21에서 평균 달성 가능한 합산 전송률은 다음 수학식 33으로 제공된다.According to an embodiment of the present invention, in addition to the sum DoF, the sum rate of the proposed method can also be derived in the finite SNR region. First, consider the case of a full duplex repeater. For simplicity, we assume M/L is an integer. Additionally, according to Theorem 1, we select the optimal K and N that maximize the sum DoF in full duplex mode and assume that the communication occurs in a sufficiently large timeslot T. Then, the average achievable aggregate transmission rate in Equation 21 is given by Equation 33.

여기서 는 목적 수신단 에 대한 비율이고 의 공분산(covariance)이다. 그리고 기대치(expectation)는 타임슬롯에 걸쳐서 이루어진다. here is the destination receiving end It is a ratio for Is is the covariance of . And expectations are made over time slots.

이제 중계기가 하프-듀플렉스 모드에서 작동할 때 달성 가능한 합계 속도를 고려한다. 다시, 우리는 하프-듀플렉스 모드에서 정리 1의 합 DoF를 최대화하는 최적의 K와 N을 선택한다고 가정한다. 풀 듀플렉스 모드의 전송 방식과 달리 하프-듀플렉스 모드의 경우 통신은 두 개의 타임슬롯에 걸쳐 발생한다. 따라서 수학식 14와 수학식 21에서 평균 달성 가능한 합산 전송률은 다음 수학식 34에 의해 산출될 수 있다.We now consider the aggregate rate achievable when the repeater operates in half-duplex mode. Again, we assume that we choose the optimal K and N that maximize the sum DoF of Theorem 1 in half-duplex mode. Unlike the transmission method of full duplex mode, in the case of half-duplex mode, communication occurs over two timeslots. Therefore, the average achievable combined transmission rate in Equation 14 and Equation 21 can be calculated by the following Equation 34.

한편, 적용 예1에서 설명한 중계기 없는 직접 전송의 평균 합산 전송률은 다음 수학식 35와 같다.Meanwhile, the average combined transmission rate of direct transmission without a repeater described in Application Example 1 is expressed in Equation 35 below.

다음으로 적용예 3에서 설명한 풀 듀플렉스 중계기를 이용한 타임분할 전송의 평균 합산 전송률을 살펴본다. 이 경우 통신은 KT 타임슬롯을 통해 이루어지며 라운드 로빈 방식(round robin manner)으로 T 타임슬롯마다 하나의 목적 수신지만 활성화된다고 가정한다.Next, we look at the average combined transmission rate of time division transmission using the full duplex repeater described in Application Example 3. In this case, it is assumed that communication takes place through KT timeslots and that only one destination receiver is activated for each T timeslot in a round robin manner.

는 목적 수신단만 활성화된 경우 수학식 21에서 목적 수신단에 대한 유효 채널 매트릭스를 나타내고 는 해당 노이즈 벡터의 공분산을 나타낸다. 다음 수학식 36은 평균 합산 전송률을 나타낸다. and is the destination receiving end If only the destination receiver in Equation 21 is activated, represents the effective channel matrix for represents the covariance of the corresponding noise vector. The following equation 36 represents the average combined transmission rate.

마지막으로 적용 예 4에서 설명한 중계기에서 순방향 CSI가 없을 때, 평균 합산 전송률(average sum rate)은 다음 수학식 37로 주어진다.Lastly, when there is no forward CSI in the repeater described in Application Example 4, the average sum rate is given by Equation 37 below.

Ⅳ. 수치 결과Ⅳ. Numerical results

다음은 본 발명에서 제안하는 기법의 합 DoF와 합산 전송률(sum rate)을 수치적으로 평가하고 그 결과를 설명한다. 구체적으로 제안하는 방식의 DoF와 합산 전송률과 풀 듀플렉스 중계기, 제안한 방식과 하프 듀플렉스 중계기, 적용예 1에서 언급한 협력 중계 없이 직접 전송하는 방식, 적용예 3에서 설명된 풀 듀플렉스 중계기 방식을 이용한 타임분할 전송 방식을 비교한다. 우리는 앞에서 설명한 내용에 의해 정리 2의 합 DoF에 대한 상한이 정리 1에 명시된 풀 듀플렉스로 달성 가능한 DoF와 일치한다는 것을 알 수 있다. 또한, 각각에서 순방향 CSI가 없을 때 중계기에서 달성 가능한 DoF 및 sum rate 는 적용예 4 및 수학식 37에서 설명한 바와 같이 직접 전송과 타임분할 전송에서 얻을 수 있는 값의 최대값을 따른다. Next, the sum DoF and sum rate of the technique proposed in the present invention are numerically evaluated and the results are explained. Specifically, the DoF and combined transmission rate of the proposed method and the full duplex repeater, the proposed method and the half duplex repeater, the direct transmission method without cooperative relay mentioned in Application Example 1, and the time division using the full duplex repeater method described in Application Example 3. Compare transmission methods. We can see from the previous discussion that the upper bound on the sum DoF in Theorem 2 is consistent with the DoF achievable with full duplex specified in Theorem 1. In addition, the DoF and sum rate that can be achieved in the repeater when there is no forward CSI in each case follow the maximum values that can be obtained in direct transmission and time division transmission, as explained in Application Example 4 and Equation 37.

A.합 DoF 비교(Sum DoF Comparison)A. Sum DoF Comparison

(1) M에 대한 합 DoF 비교:(1) Comparison of sum DoF for M:

먼저, 안테나 개수 M에 대한 합 DoF 경향을 분석한다.First, the sum DoF trend for the number of antennas M is analyzed.

도 3은 L, K, N이 L = 2, K = 3, N = 2로 고정되어 있을 때 M에 대해 고려된 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 예들의 합DoF를 그래프로 나타낸 것이다.Figure 3 graphically shows the sum DoF of examples for the proposed method and the existing method considered for M when L, K, and N are fixed at L = 2, K = 3, and N = 2.

도 3을 참조하면, 결과는 제안된 협력 통신 방식이 안테나 수 M이 특정 임계값보다 큰 경우 직접 전송 또는 타임분할 전송에 비해 풀 듀플렉스 중계기 및 하프 듀플렉스 중계기 모두에서 합 DoF를 크게 향상시키는 것으로 보여준다. 구체적으로, M이 6보다 작거나 같을 때까지만 합 DoF가 M에 비례하는 직접 전송과 달리, 제안 방식에서는 합 DoF가 M이 될 때까지 M ≤ 10으로 증가한다.Referring to Figure 3, the results show that the proposed cooperative communication scheme significantly improves the sum DoF in both full-duplex repeaters and half-duplex repeaters compared to direct transmission or time-division transmission when the number of antennas M is greater than a certain threshold. Specifically, unlike direct transmission where the sum DoF is proportional to M only until M is less than or equal to 6, in the proposed scheme the sum DoF increases as M ≤ 10 until M.

따라서 M이 6보다 크면 본 발명의 일 실시 예에서 제안된 방식이 중계기를 사용하지 않은 직접 전송보다 성능이 우수하여 제안된 중계 방식이 순위 결함을 성공적으로 극복함을 보여준다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신 방식에서 DoF 합을 풀 듀플렉스 및 하프 듀플렉스 방식의 중계기와 비교하여 풀 듀플렉스 동작 모드를 허용함으로써, 랭크가 부족한 MIMO 채널에서 합 DoF를 더욱 향상시킬 수 있는 것으로 분석되었다.Therefore, when M is greater than 6, the method proposed in one embodiment of the present invention outperforms direct transmission without using a repeater, showing that the proposed relay method successfully overcomes the ranking defect. In addition, in the cooperative communication method according to an embodiment of the present invention, by allowing a full duplex operation mode by comparing the DoF sum with full duplex and half duplex repeaters, the sum DoF can be further improved in a MIMO channel with insufficient rank. was analyzed.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안하는 협력 통신 방식과 풀 듀플렉스 중계기의 DoF 합을 타임분할 전송 방식과 비교하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자 간 간섭 관리와 함께 다중 사용자 협력 전송이 단일 사용자 통신에 비해 합계 DoF를 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다.In addition, when comparing the DoF sum of the cooperative communication method proposed according to an embodiment of the present invention and the full duplex repeater with the time division transmission method, it is found that multi-user cooperative transmission along with interference management between users according to an embodiment of the present invention It shows that the sum DoF can be significantly improved compared to single-user communication.

(2) N에 대한 합 DoF 비교: (2) Comparison of sum DoF for N:

다음은 중계기 수 N에 대한 합 DoF를 분석하여 설명한다.Next, the sum DoF for the number N of repeaters is analyzed and explained.

도 4는 M, K, L이 M = 16, K = 3, L = 2로 고정되어 있을 때 N에 대해 고려된 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 합 DoF를 그래프로 나타낸 것이다. Figure 4 graphically shows the sum DoF for the proposed and existing methods considered for N when M, K, and L are fixed at M = 16, K = 3, and L = 2.

도 4를 참조하면, 분명히 직접 전송의 합 DoF는 N에 따라 변하지 않는다. 예상대로 결과는 직접 전송을 제외한 특정 임계값까지 모든 방식의 합 DoF가 N에 따라 증가한다는 사실을 보여준다. 중계기에 의해 제공되는 신호 경로는 N만큼 증가하고 결과적으로 효과적인 원하는 채널 매트릭스의 랭크는 임계값까지 N만큼 증가한다. 즉, 중계기의 수 N에 따라 성능이 증가하다가 일정 수준인 임계값 이상에서는 수렴하게 된다. 특히, 제안된 풀 듀플렉스 중계기 방식은 중계기의 수가 충분히 많다면 풀 랭크 채널의 경우와 동일한 합 DoF, 즉 을 달성할 수 있음을 보여준다. 단일 사용자 통신인 타임분할의 경우에도 본 발명의 일 실시 예에서 제안된 협력 중계 덕분에 N>4인 경우 직접 전송(다중 사용자 통신)에 비해 향상된 합 DoF를 얻을 수 있다.Referring to Figure 4, clearly the sum DoF of direct transmission does not change with N. As expected, the results show that the sum DoF of all methods increases with N up to a certain threshold except for direct transmission. The signal path provided by the repeater increases by N and consequently the rank of the effective desired channel matrix increases by N up to the threshold. In other words, performance increases depending on the number N of repeaters and then converges above a certain threshold. In particular, the proposed full duplex repeater method provides the same sum DoF as in the case of a full rank channel if the number of repeaters is sufficiently large, i.e. It shows that it can be achieved. Even in the case of time division, which is single-user communication, an improved sum DoF can be obtained compared to direct transmission (multi-user communication) when N>4 thanks to the cooperative relay proposed in an embodiment of the present invention.

(3) L에 대한 합 DoF 비교:(3) Comparison of sum DoF for L:

도 5는 M, K 및 N이 M = 12, K = 3, N = 2로 고정된 경우 채널 링크 L에 대해 고려된 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 합 DoF를 그래프로 나타낸 것이다. Figure 5 graphically shows the sum DoF for the proposed and existing methods considered for channel link L when M, K, and N are fixed at M = 12, K = 3, and N = 2.

도 5를 참조하면, 채널 랭크 L이 특정 임계값(예: 이 경우 L< 4)보다 작은 경우 개선된 합 DoF를 제공할 수 있음을 보여준다. Referring to Figure 5, it is shown that improved sum DoF can be provided when the channel rank L is less than a certain threshold (e.g., L < 4 in this case).

즉, 다중 경로의 수 L 값이 작을 때, 본 발명의 일 실시 예에 다른 협력 통신 방법은 기존의 통신방법에 비해 성능 차가 커진다, 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신 방법은 다중경로가 작을 때 특히 효과적임을 알 수 있다.That is, when the value L of the number of multiple paths is small, the performance difference of the cooperative communication method according to an embodiment of the present invention increases compared to the existing communication method. Therefore, the cooperative communication method according to an embodiment of the present invention has multiple paths. It can be seen that it is especially effective when it is small.

또한, 채널 랭크 L이 충분히 크면 협력 중계 없이 직접 전송하는 경우에도 합 DoF의 상한인 M의 합 DoF를 달성할 수 있기 때문에 이러한 경우에 제안된 중계 방식은 합 DoF를 개선하기 위해 필요하지 않다.In addition, if the channel rank L is sufficiently large, the sum DoF of M, which is the upper limit of the sum DoF, can be achieved even when transmitting directly without cooperative relaying, so in this case, the proposed relaying method is not necessary to improve the sum DoF.

B. 합산 전송률 비교(Sum Rate Comparison)B. Sum Rate Comparison

1) 완벽한 자기 간섭 제거 예:1) Complete magnetic interference cancellation e.g.

M = 10, K = 3, L = 2, N = 2인 경우를 고려한다. 이번에 설명할 예는 앞서 설명한 LoS 채널 모델을 채택한 것으로써, 여기서 반파장 균일 선형 안테나 어레이가 각 노드에서 사용된다.Consider the case M = 10, K = 3, L = 2, N = 2. The example described this time adopts the LoS channel model described previously, where a half-wavelength uniform linear antenna array is used at each node.

구체적으로, 수학식 3의 는 구체적으로, 각각 로 주어지며, 수학식 38, 는 송신단의 송신 안테나 어레이에서 각각 중계기j의 수신 안테나 어레이, 및 에서 앞서 기술한 수학식3의 j번째 LoS 경로의 입사각을 나타낸다. Specifically, in Equation 3 and Specifically, each and It is given by Equation 38, and is the receiving antenna array of repeater j, respectively, in the transmitting antenna array of the transmitting end, and Indicates the angle of incidence of the jth LoS path in Equation 3 described above.

또한, 앞서 기술한 수학식 3에서 , 그리고 모든 와 t에 대해 로 가정한다.Additionally, in Equation 3 described above, , and all and for t Assume:

다른 채널 매트릭스 수학식 4, 5 및 6도 유사하게 정의된다. 또한, 앞에서 설명한 실시예 1(MIMO 중계 방송 채널시스템)에서 설명한 것처럼 모든 및 t에 대해 인 각 중계기에서 완벽한 자기 간섭 제거를 가정한다.Other channel matrices equations 4, 5 and 6 are defined similarly. In addition, as described in Embodiment 1 (MIMO relay broadcast channel system) described above, all and for t Assume perfect self-interference cancellation at each repeater.

도 6a, 도 6b는 제안된 기존 방식에 대한 완벽한 자기 간섭 제거 사례에 대해 달성 가능한 합산 전송률을 그래프로 도시한 것이다.Figures 6a and 6b graphically show the achievable sum data rate for the case of perfect self-interference cancellation for the proposed existing method.

도 6a 및 6b를 참조하면, 기존의 직접 전송 및 풀 듀플렉스 모드에서 타임분할 전송을 사용하는 예에서 M = 10, K = 3, L = 2 및 N = 2일 때 완벽한 자기 간섭 제거 사례에 대해 전력 이득 P를 사용하여 달성 가능한 합산 전송률을 나타낸다.Referring to Figures 6a and 6b, the power for the perfect self-interference cancellation case when M = 10, K = 3, L = 2, and N = 2 in an example using time-division transmission in conventional direct transmission and full duplex mode. It represents the achievable sum data rate using gain P.

도 6은 식 (33), (34), (35) 및 (36에 의해 각각 주어지는 풀 듀플렉스 중계기를 사용하는 제안된 방식, 하프 듀플렉스 중계기, 직접 전송 및 타임분할 전송을 사용하는 방식을 그나타낸다.Figure 6 shows the proposed scheme using full duplex repeater, half duplex repeater, direct transmission and time division transmission given by equations (33), (34), (35) and (36), respectively.

도 6a는 인 경우를 나타낸 것이고, 도 6b는 인 경우를 나타낸 것이다.Figure 6a This shows the case, and Figure 6b shows This shows the case.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 결과는 제안한 기법이 SNR의 전체 범위에서 직접 전송과 타임분할 전송 모두를 능가하며, P에 따라 성능 격차가 증가함을 보여준다. 이중 중계기는 각각 10과 8로 주어지지만 직접 전송과 타임분할은 6에 불과하다. 또한 가 작을 때, 즉 각각의 전송 전력이 중계기는 도 6(b)에서 = 0.2로 송전단보다 작지만 제안된 방식은 P가 특정 임계값(예: P>5dB)보다 클 때 여전히 향상된 성능을 제공할 수 있습니다. Referring to Figures 6a and 6b, the results show that the proposed technique outperforms both direct transmission and time-sliced transmission over the entire range of SNR, and the performance gap increases with P. Of these, repeaters are given as 10 and 8, respectively, but direct transmission and time division are only given as 6. also When is small, that is, each transmission power is the repeater in Figure 6(b). = 0.2, which is smaller than the transmission stage, but the proposed scheme can still provide improved performance when P is greater than a certain threshold (e.g., P > 5 dB).

즉, 중계기의 전송 전력이 송신단 보다 작을 때(가 작을 때,)에도 성능 이득이 다소 줄어들긴 하지만, 기존의 방식보다 여전히 더 좋은 성능을 유지하는 것으로 분석된다.That is, when the transmission power of the repeater is less than that of the transmitter ( When , is small, the performance gain is somewhat reduced, but it is analyzed that it still maintains better performance than the existing method.

2) 불완전 자기 간섭 제거 사례:2) Example of incomplete magnetic interference cancellation:

각 풀 듀플렉스 중계기의 자기간섭이 완전히 제거된 것으로 가정하였지만, 실제로는 불완전한 자기간섭 제거로 인해 무시할 수 없는 잔류 자기간섭이 존재할 수 있다. 여기에서 우리는 잔존 자기간섭이 합산 전송률에 미치는 영향을 조사한다.Although it is assumed that the self-interference of each full duplex repeater is completely eliminated, in reality, there may be residual self-interference that cannot be ignored due to incomplete self-interference cancellation. Here we investigate the effect of residual self-interference on the summed transmission rate.

구체적으로, 중계기 j의 자기 간섭 채널 매트릭스의 계수, 즉 의 계수는 모든 에 대해 에서 도출된다고 가정한다. 여기서 는 다른 채널에 비해 의 유효 채널 강도를 나타낸다.Specifically, the coefficients of the self-interference channel matrix of repeater j, i.e. The coefficients of all About It is assumed that it is derived from . here compared to other channels represents the effective channel strength.

는 중계기 내의 송신기와 수신기 사이의 거리가 매우 짧기 때문에 다른 채널보다 상당히 작은 상대 경로 손실의 양과 풀 듀플렉스 중계기에서 자체 간섭 억제의 양에 의해 결정된다. is determined by the amount of relative path loss, which is significantly smaller than that of other channels because the distance between the transmitter and receiver within the repeater is very short, and the amount of self-interference suppression in a full duplex repeater.

수학식 17의 잔류 자기 간섭 이 있기 때문에 중계기가 풀 듀플렉스 모드에서 작동할 때 ,Residual magnetic interference in Equation 17 Because when the repeater operates in full duplex mode,

가 된다, It becomes,

도 7과 8은 불완전한 자기 간섭 제거 사례에서 제안된 방식 및 기존 방식에 대한 전송전력(P)에 대한 합산 전송률을 그래프로 도시한 것이다.Figures 7 and 8 graphically show the summed transmission rate versus transmission power (P) for the proposed method and the existing method in the case of incomplete self-interference cancellation.

도 7과 8은 각각 일 때를 나타낸다.Figures 7 and 8 respectively and Indicates when.

여기서 다른 매개변수는 도 6에서와 같다.Here other parameters are the same as in Figure 6.

이 수치를 도 6과 비교하면 풀 듀플렉스 중계기의 합산 전송률 성능이 상당히 저하됨을 알 수 있다.Comparing this figure with Figure 6, it can be seen that the aggregate data rate performance of the full duplex repeater is significantly degraded.

우리가 제안한 중계 방식은 증폭 후 전달 전략을 기반으로 하기 때문에 잔류 자기 간섭으로 인해 잔류 자기 간섭으로 인한 추가적인 노이즈 증폭이 발생할 수 있다.Since our proposed relaying method is based on an amplification-then-forwarding strategy, additional noise amplification due to residual magnetic interference may occur.

도 7a, 7b를 참조하면, 제안된 풀 듀플렉스 중계기에서 자기 간섭제거(self-interference cancellation)가 완벽하지 않아서 송신신호가 수신신호에 영향을 미치는 상황(가 0이 아님)에서도 종래의 전송방법보다 여전히 더 좋은 성능을 유지하는 것을 알 수 있다..Referring to Figures 7a and 7b, in the proposed full duplex repeater, self-interference cancellation is not perfect, resulting in a situation where the transmitted signal affects the received signal ( is not 0), it can still be seen that better performance is maintained than the conventional transmission method.

특정 임계값(예: = -20dB)보다 클 때는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 하프 듀플렉스 중계기 방식은 도 7(a) 또는 도 8(a)와 같이 풀 듀플렉스 중계기 방식보다 성능이 뛰어난 것으로 나타난다. 그리고 가 증가함에 따라 협력 풀 듀플렉스 중계기의 이점은 거의 사라질 것으로 예상된다. 이러한 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 중계 방식은 풀 듀플렉스 중계기 모드가 아닌 하프 듀플렉스 중계기 모드로 작동해야 하는 것으로 분석된다.Certain thresholds, e.g. = -20dB), the half duplex repeater method proposed according to an embodiment of the present invention appears to have better performance than the full duplex repeater method, as shown in FIG. 7(a) or FIG. 8(a). and As , increases, the benefits of cooperative full duplex repeaters are expected to almost disappear. In this case, it is analyzed that the cooperative relay method according to an embodiment of the present invention must operate in half-duplex repeater mode rather than full-duplex repeater mode.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, MU-MIMO 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 중계 기법을 제공한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신방법은 다중 중계기를 능동 반사기로 사용하여 랭크 부족을 극복하고 사용자 간 및 중계기 간 간섭을 제거할 수 있는 대체 신호 경로를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a cooperative relay technique for MU-MIMO wireless backhaul network is provided. The cooperative communication method according to an embodiment of the present invention uses multiple repeaters as active reflectors to overcome rank deficiency and provide an alternative signal path that can eliminate interference between users and between repeaters.

본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신방법은 협력 통신 없이 직접 전송만 하는 것과 비교하여 합 DoF와 합산 전송률 모두 크게 향상시킬 수 있다.The cooperative communication method according to an embodiment of the present invention can significantly improve both the sum DoF and the sum data rate compared to direct transmission only without cooperative communication.

본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신방법은 복잡도가 낮은 선형 빔-forming을 기반으로 하면서 성능을 크게 향상할 수 있다. The cooperative communication method according to an embodiment of the present invention can significantly improve performance while being based on linear beam-forming with low complexity.

본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신방법은 특히 mmWave 무선 백홀과 같은 고성능 네트워크를 지원하기 위해 rank-부족-채널의 용량을 향상시키는 매력적인 실용적인 솔루션이 될 수 있다.The cooperative communication method according to an embodiment of the present invention can be an attractive practical solution for improving the capacity of rank-deficient channels, especially to support high-performance networks such as mmWave wireless backhaul.

본 발명의 일 실시 예에 대한 개시 내용 및 상응하는 도면들의 다양한 실시예들에 대한 위의 설명 및 요약서에 기술된 것은 설명을 위한 목적으로 기술된 것이며, 개시된 실시예들을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 포괄하려는 것은 아니다. 이 기술분야의 당업자는 수정, 치환, 조합 및 추가들을 포함하는 다른 실시예들이 개시된 주된 사항의 동일하고, 유사한, 대안 또는 대체 기능들을 수행하기 위해 구현될 수 있다. 따라서 이러한 구현 가능한 확장은 본 개시 내용의 범위 내에서 고려될 수 있다는 것을 인식할 수 있음을 이해해야 한다. The above description and abstract of various embodiments of the disclosure and corresponding drawings of one embodiment of the invention are intended to be illustrative and not intended to limit or exhaust the disclosed embodiments to the precise form disclosed. That's not what I'm trying to do. Those skilled in the art may realize that other embodiments, including modifications, substitutions, combinations, and additions, may be implemented to perform the same, similar, alternative, or alternative functions of the disclosed subject matter. Accordingly, it should be understood that such possible extensions may be recognized as being considered within the scope of the present disclosure.

본 발명의 일 실시 예에서 개시된 주된 사항은 본 명세서에 설명된 임의의 단일 실시예에 한정되지 않는다.The subject matter disclosed in one embodiment of the invention is not limited to any single embodiment described herein.

Source: 송신단
Relay 1, N: 중계기
Destination1,...K: 목적 수신단
Source: Transmitter
Relay 1, N: Repeater
Destination1,...K: Destination receiving end

Claims (15)

삭제delete 삭제delete 하나의 송신단, N 개의 중계기, K 개의 목적 수신단을 포함하는 다중 사용자 중계 시스템을 이용한 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법에 있어서,
상기 협력 통신 방법은,
상기 송신단은 제1 타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하되, 상기 제1 타임슬롯에서 상기 중계기들은 전송받은 신호 스트림을 전송하지 않으며,
상기 송신단은 제2타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하며, 상기 중계기들은 상기 제1타임슬롯에서 받은 자신의 수신신호에서 각 목적 수신단에 전송할 스트림을 추출한 후, 상기 제2타임슬롯에서 해당 목적 수신단에 전송하도록 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하며,
M≤L(K+N)조건의 랭크부족 채널에서 상기 중계기가 풀-듀플렉스인 경우에, 상기 송신단이 타임슬롯(t)에 각 중계기 및 목적 수신단에 전송하는 신호 스트림(Sr(t))은 다음 식12로 형성되는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식12)

여기서, 는 1번째 목적 수신단에 전달될 L+1번째 데이터 스트림을 의미하고, 는 K 번째 목적수신단에 전달될 L+2번째 데이터 스트림을 의미하며, 1~N은 중계기 개수, 1~K는 목적 수신단 개수, 1~L은 전송경로 개수, 1 ~M은 안테나 개수이며 L, N, K는 자연수임, 또한, 이며, 는 중계기로 보내지는번째에서 번째 요소로 구성되는 것을 의미하는 것임.
In a cooperative communication method for a wireless backhaul network using a multi-user relay system including one transmitter, N repeaters, and K destination receivers,
The cooperative communication method is,
The transmitting end equally distributes and transmits streams to be transmitted to the N repeaters and K destination receiving ends in the first time slot, but the repeaters do not transmit the transmitted signal stream in the first time slot,
The transmitting end equally distributes and transmits the streams to be transmitted to the N repeaters and K target receiving ends in the second time slot, and the repeaters transmit the streams to be transmitted to each target receiving end from their received signals in the first time slot. After extracting, it is characterized in that it includes controlling the transmission to the target receiving end in the second time slot,
When the repeater is full-duplex in a rank-deficient channel under the condition of M≤L(K+N), the signal stream (Sr(t)) transmitted by the transmitting end to each repeater and the destination receiving end in the time slot (t) is A cooperative communication method characterized in that it is formed by the following Equation 12.
(Equation 12)

here, means the L+1th data stream to be delivered to the first destination receiving end, means the L+2th data stream to be delivered to the Kth destination receiver, 1~N are the number of repeaters, 1~K are the number of destination receivers, 1~L are the number of transmission paths, 1~M are the number of antennas, and L, N and K are natural numbers. Also, and is a repeater sent to of in the second It means that it is composed of the first element.
제3항에 있어서,
상기 송신단이 상기 제1타임슬롯에서 각 중계기 및 목적 수신단에 전송하는 신호 매트릭스는 다음 식13에 의한 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식13)

여기서, 를 수신단 i 에 전달하기 위한 첫 번째 시간 slot 에서의 송신 빔성형 행렬을 의미하는 것이고, 은 수신단 i 에 전달할 데이터 스트림 벡터를 의미하는 것이며, 를 중계기 i에 전달하기 위한 첫 번째 시간 slot 에서의 송신 빔성형 행렬을 의미하는 것이고, 은 중계기 i 에 전달할 데이터 스트림 벡터를 의미함.
According to paragraph 3,
A cooperative communication method, wherein the signal matrix transmitted from the transmitting end to each repeater and the destination receiving end in the first time slot is according to Equation 13 below.
(Equation 13)

here, silver It means the transmission beamforming matrix in the first time slot for delivering to the receiving end i, means the data stream vector to be delivered to the receiving end i, silver It means the transmission beamforming matrix in the first time slot for transmitting to repeater i, means the data stream vector to be delivered to repeater i.
제4항에 있어서,
목적 수신단에서 상기 제1 타임슬롯에서 수신된 신호(yk(1))는 다음 식 14로 주어지는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식14)

여기서 은 수신단 k 와 송신단 사이의 채널행렬을 의미하고, 을 수신단 k 에 전달하기 위한 송신 빔성형 행렬을 의미하며, 는 중계기 i 와 수신단 k 사이의 채널행렬을 의미하고, 은 수신단 k 에서의 잡음벡터를 의미하는 것임.
According to paragraph 4,
destination receiving end A cooperative communication method, characterized in that the signal (y k (1)) received in the first timeslot is given by the following equation 14.
(Equation 14)

here means the channel matrix between the receiving end k and the transmitting end, silver refers to the transmission beamforming matrix for delivering to the receiving end k, means the channel matrix between repeater i and receiving end k, means the noise vector at the receiving end k.
제5항에 있어서,
상기 식 14에서, Vk(1) 이외의 빔 형성 벡터와 관련된 스트림이 목적 수신단(k)에 도달하지 않게 하도록 이고, (b)는 Vi(1)와 Ui(1)의 제로포싱 속성에 기인하는 것을 특징으로 하며 - 여기서 은 송신 동작을 하는 중계기의 집합을 의미하는 것임,
상기 목적 수신단(k)는 상기 을 기반으로 rank=조건에서 sd ,k (1), ∀k ∈ [1 : K] 의 스트림을 복구하는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
According to clause 5,
In Equation 14 above, so that streams associated with beamforming vectors other than V k (1) do not reach the destination receiving end (k). Is and (b) is characterized by being due to the zero forcing properties of Vi (1) and U i (1) - where refers to a set of repeaters that perform transmission operations,
The destination receiving end (k) is Based on rank = A cooperative communication method characterized by recovering the stream of s d , k (1), ∀k ∈ [1: K ] under the conditions.
제6항에 있어서,
중계기에서 상기 제1타임슬롯에서 수신된 신호벡터 는 다음 식15에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식 15)

여기서 은 송신단과 중계기 j 사이의 채널행렬을 의미하고, 은 중계기i 와 중계기 j 사이의 채널행렬을 의미하며, 는 중계기 j 에서의 잡음 벡터를 의미함.
According to clause 6,
repeater Signal vector received in the first time slot is a cooperative communication method characterized by being obtained by the following equation 15.
(Equation 15)

here means the channel matrix between the transmitter and repeater j, means the channel matrix between repeater i and repeater j, means the noise vector at repeater j.
제7항에 있어서,
상기 중계기i는 상기 송신단으로부터 받은 신호 스트림 sr,j(1)에서, 목적 수신단에 전송할 신호 스트림 sr, j, i(1)을 추출하기 위해 sr,j,i(1)와 연관되지 않은 Fj(1)Uj(1)의 모든 열 벡터를 무효화하는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
In clause 7,
The repeater i receives the signal stream from the transmitter In s r,j (1), the destination receiving end Characterized by invalidating all column vectors of F j (1)U j (1) that are not associated with s r,j,i (1) to extract the signal stream s r, j, i (1) to be transmitted to A collaborative communication method.
제7항에 있어서,
상기 식 15에서 sr,j(1)의 스트림들이 중계기(j)에 도달하며, 상기 식 15의 는 Vi(1)와 Ui(1)의 제로포싱 속성에 기인하는 것으로써, 상기 중계기(j)는 상기 yr,j(1)에 기초하여 목적 수신단 인덱스들에 따라 sr,j(1)에서 스트림들을 분류하여 상기 목적 수신단에 대한 신호스트림sr,j,i(1)을 추출하되, 상기 중계기(j)는 신호스트림sr,j(1)에서 sr,j,i(1)을 추출하기 위해 제로-포싱 리시버 빔포밍 매트릭스 을 상기 yr,j(1)에 적용하는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
여기서 는 다음 식16과 같이 주어진 sr,j,i(1)의 관계 수(cardinality)임.
(식16)
여기서 이고, 은 sr,j,i(1)과 연관되지 않은 Fj(1)Uj(1)의 모든 열 벡터를 무효화하는 것임.
In clause 7,
In Equation 15, the streams of s r,j (1) arrive at the repeater (j), and in Equation 15 is due to the zero forcing properties of V i (1) and U i (1), and the repeater (j) is based on the y r,j (1) and according to the target receiver indices. Classify the streams in s r,j (1) and the destination receiver Extract the signal streams s r , j , i (1) for, and the repeater (j) is a zero-forcing receiver to extract s r,j,i (1) from the signal stream s r, j ( 1). Beamforming Matrix A cooperative communication method characterized by applying to y r,j (1) above.
here is the cardinality of s r,j,i (1) given in Equation 16 below.
(Equation 16)
here ego, is to invalidate all column vectors of F j (1)U j (1) that are not associated with s r,j,i (1).
제9항에 있어서,
상기 중계기(j)에서 상기 제1타임슬롯에서 수신된 신호벡터 로부터 목적수신단(i)에 전달할 신호벡터 는 다음 식17로 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식17)

여기서,이며,= 임.
According to clause 9,
Signal vector received in the first time slot from the repeater (j) Signal vector to be transmitted from to the destination receiving end (i) is a cooperative communication method characterized by being obtained by the following equation 17.
(Equation 17)

here, and = lim.
제10항에 있어서,
상기 송신단이 상기 제2 타임슬롯에서 각 중계기 및 목적 수신단에 전송하는 신호 매트릭스는 다음 식 18에 의한 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식 18)
According to clause 10,
A cooperative communication method, wherein the signal matrix transmitted by the transmitting end to each repeater and the destination receiving end in the second time slot is given by the following equation 18.
(Equation 18)
제11항에 있어서,
상기 중계기는 상기 을 다음 식19와 같이 제로포싱 빔 포밍을 하여 노이즈에 대한 간섭없이 상기 목적 수신단(i)에 전송하는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식 19)

여기서 는 다음 식 20의 조건을 충족하는 목적 수신단(i)에 대한 스트림을 전달하는 중계기(j)의 빔 포밍 매트릭스임.
(식20)

여기서 은 제2타임슬롯에서의 중계기 j 와 수신단 k 사이의 채널행렬을 의미하고, 은 제2타임슬롯에서의 중계기 j 와 중계기 k 사이의 채널 행렬을 의미하며, 는 행렬 의 행렬계수(rank) 을 의미하는 것임.
According to clause 11,
the repeater above A cooperative communication method characterized by transmitting to the destination receiving end (i) without interference from noise by performing zero forcing beam forming as shown in Equation 19 below.
(Equation 19)

here is the beam forming matrix of the repeater (j) delivering the stream to the destination receiving end (i) that satisfies the conditions of Equation 20 below.
(Equation 20)

here means the channel matrix between repeater j and receiving end k in the second time slot, means the channel matrix between repeater j and repeater k in the second time slot, is a matrix It means the matrix coefficient (rank) of .
하나의 송신단, N 개의 중계기, K 개의 목적 수신단을 포함하는 다중 사용자 중계 시스템을 이용한 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법에 있어서,
상기 협력 통신 방법은,
상기 송신단은 제1 타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하되, 상기 제1 타임슬롯에서 상기 중계기들은 전송받은 신호 스트림을 전송하지 않으며,
상기 송신단은 제2타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하며, 상기 중계기들은 상기 제1타임슬롯에서 받은 자신의 수신신호에서 각 목적 수신단에 전송할 스트림을 추출한 후, 상기 제2타임슬롯에서 해당 목적 수신단에 전송하도록 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하며,
M≥L(K + N)인 조건에서, 상기 중계기가 하프 듀플렉스 모드인 경우, 상기 제2타임슬롯에서 상기 중계기가 목적 수신단으로 신호를 전송하도록 제어되며, 합계 자유도(합 DoF)는 다음 식 27에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
(식27)

여기서, 1~N은 중계기 개수, 1~K는 목적 수신단 개수, 1~L은 전송경로 개수, 1 ~M은 안테나 개수임.
In a cooperative communication method for a wireless backhaul network using a multi-user relay system including one transmitter, N repeaters, and K destination receivers,
The cooperative communication method is,
The transmitting end equally distributes and transmits streams to be transmitted to the N repeaters and K destination receiving ends in the first time slot, but the repeaters do not transmit the transmitted signal stream in the first time slot,
The transmitting end equally distributes and transmits the streams to be transmitted to the N repeaters and K target receiving ends in the second time slot, and the repeaters transmit the streams to be transmitted to each target receiving end from their received signals in the first time slot. After extracting, it is characterized in that it includes controlling the transmission to the target receiving end in the second time slot,
Under the condition of M≥L(K + N), when the repeater is in half-duplex mode, the repeater is controlled to transmit a signal to the destination receiving end in the second time slot, and the total degree of freedom (sum DoF) is expressed by the following equation A cooperative communication method obtained by 27.
(Equation 27)

Here, 1~N are the number of repeaters, 1~K are the number of target receiving ends, 1~L are the number of transmission paths, and 1~M are the number of antennas.
하나의 송신단, N 개의 중계기, K 개의 목적 수신단을 포함하는 다중 사용자 중계 시스템을 이용한 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신 방법에 있어서,
상기 협력 통신 방법은,
상기 송신단은 제1 타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하되, 상기 제1 타임슬롯에서 상기 중계기들은 전송받은 신호 스트림을 전송하지 않으며,
상기 송신단은 제2타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하며, 상기 중계기들은 상기 제1타임슬롯에서 받은 자신의 수신신호에서 각 목적 수신단에 전송할 스트림을 추출한 후, 상기 제2타임슬롯에서 해당 목적 수신단에 전송하도록 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하며,
M > L(K·N)인 경우, - 여기서, 1~N은 중계기 개수, 1~K는 목적 수신단 개수, 1~L은 전송경로 개수, 1 ~M은 안테나 개수임,
상기 제1 타임슬롯에서, 각 송신단은 어떠한 중계기에도 도달하지 않는 L 개의 독립 스트림을 해당 상기 목적 수신단으로 전송하고, 동시에, 전용 중계기 이외의 중계기[1: N]를 통해 L 개의 독립된 스트림을 상기 목적 수신단으로 전송하며, 상기 목적 수신단은 제1 타임슬롯에서 KL 스트림을 복구하는 것을 특징으로 하고,
상기 제2 타임슬롯에서 각 송신단은 상기 제1 타임슬롯과 동일하게 전송하며, 각 중계기는 상기 제1타임슬롯에서 수신한 신호를 Zero-Forcing 빔포밍을 사용하여 상기 목적 수신단으로 전달하고 또한 동시에 각 중계기는 상기 송신단에서 전송된 신호를 수신하며, 상기 목적 수신단에서는 상기 제2 타임슬롯에서 L(K + N) 스트림을 수신하고 복구하는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
In a cooperative communication method for a wireless backhaul network using a multi-user relay system including one transmitter, N repeaters, and K destination receivers,
The cooperative communication method is,
The transmitting end equally distributes and transmits streams to be transmitted to the N repeaters and K destination receiving ends in the first time slot, but the repeaters do not transmit the transmitted signal stream in the first time slot,
The transmitting end equally distributes and transmits the streams to be transmitted to the N repeaters and K target receiving ends in the second time slot, and the repeaters transmit the streams to be transmitted to each target receiving end from their received signals in the first time slot. After extracting, it is characterized in that it includes controlling the transmission to the target receiving end in the second time slot,
If M > L(K·N), - where 1~N is the number of repeaters, 1~K is the number of target receiving stations, 1~L is the number of transmission paths, 1~M is the number of antennas,
In the first timeslot, each transmitting end transmits L independent streams that do not reach any repeater to the destination receiving end, and at the same time transmits L independent streams to the destination receiving end through a relay [1: N] other than the dedicated repeater, and the destination receiving end Characterized by recovering the KL stream in the first timeslot,
In the second time slot, each transmitting end transmits in the same way as the first time slot, and each repeater transmits the signal received in the first time slot to the destination receiving end using zero-forcing beamforming, and at the same time, each repeater transmits the signal received in the first time slot to the destination receiving end. A cooperative communication method characterized in that the repeater receives the signal transmitted from the transmitting end, and the destination receiving end receives and recovers the L(K + N) stream in the second time slot.
하나의 송신단, N 개의 중계기, K 개의 목적 수신단 및 L 개의 신호경로를 포함하는 다중 중계 방송 시스템을 이용한 무선 백홀 네트워크를 위한 협력 통신방법에 있어서,
상기 협력 통신방법은,
a) 상기 시스템의 제어부는 다음 식을 만족하는 K*와 N*를 선택하는 단계;

여기서 Ms, Mr, Md는 각각 송신단, 중계기 및 목적지의 안테나 수를 나타내며, K*와 N*은 각각 K와 N의 최적 값을 의미하는 것임.
b) 상기 시스템의 제어부는 송신단에서 스트림을 직접 전송을 통해 목적 수신단으로 보내고, 스트림은 이후 각 타임슬롯에서 협력 중계를 통해 보내는 단계;,
- 상기 협력중계는, 상기 송신단은 제1 타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하되, 상기 제1 타임슬롯에서 상기 중계기들은 전송 받은 신호 스트림을 전송하지 않으며,
상기 송신단은 제2타임슬롯에서 상기 N 개의 중계기 및 K 개의 목적 수신단에 전송할 스트림을 동등하게 배분하여 전송하며, 상기 중계기들은 상기 제1타임슬롯에서 받은 자신의 수신신호에서 각 목적 수신단에 전송할 스트림을 추출한 후, 상기 제2타임슬롯에서 해당 목적 수신단에 전송하도록 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 것임,
c) 각 중계기는 수신된 신호를 기반으로 각 목적 수신단의 스트림을 추출하고 이후 간섭을 일으키지 않고 해당 목적 수신단으로 전송하는 단계; 및
d) 목적 수신단인 경우 원하는 스트림을 (α + L + 1)로 복구할 수 있으며, 그렇지 않으면 제2 타임슬롯에서 원하는 스트림을 (α + L)로 복구하는 단계; - 여기서 이며, (α + L + 1) ≤ Md 임,
를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 통신방법.
In a cooperative communication method for a wireless backhaul network using a multiple relay broadcasting system including one transmitter, N repeaters, K destination receivers, and L signal paths,
The cooperative communication method is,
a) the control unit of the system selects K* and N* that satisfy the following equation;

Here, Ms, Mr, and Md represent the number of antennas at the transmitting end, repeater, and destination, respectively, and K* and N* mean the optimal values of K and N, respectively.
b) The control unit of the system is located at the transmitting end. Send the stream to the destination receiving end through direct transmission, The stream is Afterwards, the step of sending through cooperative relay in each timeslot;
- In the cooperative relay, the transmitting end equally distributes and transmits streams to be transmitted to the N repeaters and K target receiving ends in the first time slot, but the repeaters do not transmit the received signal stream in the first time slot. and
The transmitting end equally distributes and transmits the streams to be transmitted to the N repeaters and K target receiving ends in the second time slot, and the repeaters transmit the streams to be transmitted to each target receiving end from their received signals in the first time slot. After extracting, it is characterized in that it includes controlling the transmission to the target receiving end in the second time slot,
c) Each repeater extracts the stream of each target receiver based on the received signal and Subsequently, transmitting to the target receiving end without causing interference; and
d) destination receiving end silver If , the desired stream can be restored to (α + L + 1), otherwise, the desired stream can be restored to (α + L) in the second timeslot; - here and and (α + L + 1) ≤ Md,
A cooperative communication method comprising:
KR1020210114824A 2021-08-30 2021-08-30 Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks KR102612385B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210114824A KR102612385B1 (en) 2021-08-30 2021-08-30 Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210114824A KR102612385B1 (en) 2021-08-30 2021-08-30 Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230032232A KR20230032232A (en) 2023-03-07
KR102612385B1 true KR102612385B1 (en) 2023-12-27

Family

ID=85513487

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210114824A KR102612385B1 (en) 2021-08-30 2021-08-30 Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102612385B1 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI20085161A0 (en) 2008-02-22 2008-02-22 Nokia Corp Signal processing in an electronic device
KR101754990B1 (en) * 2010-12-06 2017-07-06 삼성전자주식회사 Method and apparatus for cooperation transition in communication system
US10206232B2 (en) 2016-09-29 2019-02-12 At&T Intellectual Property I, L.P. Initial access and radio resource management for integrated access and backhaul (IAB) wireless networks

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230032232A (en) 2023-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zeng et al. Cooperative NOMA: State of the art, key techniques, and open challenges
Hong et al. Cooperative communications and networking: technologies and system design
Tang et al. Optimal design of non-regenerative MIMO wireless relays
KR100909973B1 (en) Wireless communication system
Chen et al. A unified capacity analysis for wireless systems with joint multiuser scheduling and antenna diversity in Nakagami fading channels
Zhang et al. Hermitian precoding for distributed MIMO systems with individual channel state information
US8774085B2 (en) Relays in wireless communications
EP1386421B1 (en) Radio communication system
US20060105709A1 (en) Apparatus and method for high-speed data communication in a mobile communication system with a plurality of transmitting and receiving antennas
JP2007533216A (en) Multiple I / O communication method based on distributed transmission source
JP2008530946A (en) Method and apparatus for cooperative relay
Kim et al. Virtual full-duplex cooperative NOMA: Relay selection and interference cancellation
Duarte et al. Switched max-link relay selection based on maximum minimum distance for cooperative MIMO systems
Charalambous et al. Relay-pair selection in buffer-aided successive opportunistic relaying using a multi-antenna source
Chae et al. Cooperative relaying for multi-user MIMO wireless backhaul networks
Sedaghat et al. On user pairing in NOMA uplink
KR102612385B1 (en) Cooperative Relaying method for Multi-User MIMO Wireless Backhaul Networks
Schubert et al. An efficient algorithm for optimum joint downlink beamforming and power control
KR20200057665A (en) Wireless power communictaion system and method
Jayasinghe et al. Direct beamformer estimation for dynamic TDD networks with forward-backward training
Shrestha et al. A leakage-based solution for interference alignment in MIMO interference channel networks
Tang et al. Downlink path-based precoding in FDD massive MIMO systems without CSI feedback
Lee et al. Downlink node cooperation with node selection diversity
Suraweera et al. Optimum combining with joint relay and antenna selection for multiple-antenna relays in the presence of co-channel interference
Al Haija et al. Design and simplification of quantize-forward relaying in massive MIMO HetNets

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right