KR20230046523A - Qf 릴레이 통신 시스템에서 수행되는 협력 선형 결합 검출 방법 - Google Patents

Qf 릴레이 통신 시스템에서 수행되는 협력 선형 결합 검출 방법 Download PDF

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KR20230046523A
KR20230046523A KR1020210129598A KR20210129598A KR20230046523A KR 20230046523 A KR20230046523 A KR 20230046523A KR 1020210129598 A KR1020210129598 A KR 1020210129598A KR 20210129598 A KR20210129598 A KR 20210129598A KR 20230046523 A KR20230046523 A KR 20230046523A
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Abstract

본 발명에 따른 협력 선형 결합(CLC, Cooperative Linear Combining) 검출 방법은,송신기(S), 릴레이(R) 및 수신기(D)를 포함하는 QF(quantize-forward) 릴레이 통신 시스템에서 수행된다. 여기에서, 본 발명에 따른 협력 선형 결합 검출 방법은, 상기 송신기(S)가, M PSK(M-ary Phase Shift Keying) 신호(
Figure pat00231
)를 상기 릴레이(R) 및 수신기(D)로 송출하는 단계; 상기 릴레이(R)가, 상기 송신기(S)로부터 수신된 신호(
Figure pat00232
)을 기정의된 프로세스에 따라 q 비트의 균일 위상 양자화(q-bit uniform phase quantization)하고, 양자화된 신호(
Figure pat00233
)를 상기 수신기(D)로 전달하는 단계; 상기 수신기(D)가, 상기 송신기(S)에서 수신된 제1 신호(
Figure pat00234
)와 상기 릴레이(R)에서 수신된 제2 신호(
Figure pat00235
)를, S-D링크 및 S-R-D 링크 각각에 대한 신호대 잡음비(SNR)에 기초하여 도출된 제1 결합 가중치(
Figure pat00236
) 및 제2 결합 가중치(
Figure pat00237
)에 따라 협력 선형 결합(CLC)하는 단계; 및 상기 수신기(D)가, 기정의된 검출 알고리즘을 이용하여 상기 협력 선형 결합(CLC)된 신호(
Figure pat00238
)에서 목적 신호(
Figure pat00239
)를 검출하는 단계;를 포함한다.

Description

QF 릴레이 통신 시스템에서 수행되는 협력 선형 결합 검출 방법{METHOD FOR COOPERATIVE LINEAR COMBINING DETECTION IN QF RELAY COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 양자화 후 전달(QF, quantize-forward) 방식의 릴레이 통신 시스템에 적용될 수 있는 검출 기술로, 기존 방식과 비교하여 낮은 복잡도와 높은 성능을 나타내는 협력 선형 결합 검출 방법에 관한 것이다.
무선통신시스템에 있어서, 소스노드 (송신기)에서 목적노드(수신기)로 신호를 전송하는 경우 먼 거리 또는 장애물의 방해로 인해 릴레이(중계기)를 활용한다. 여기에서, 복호 후 전달(decode-forward: DF) 또는 증폭 후 전달(amplify-forward: AF) 두 가지 방식의 릴레이가 주로 사용되고 있다. DF 방식은 릴레이에서의 복호 과정과 부호화 과정이 필요함에 따라 릴레이 노드의 부하가 크며, 자원에 한계가 있는 간단한 릴레이 노드에서 활용되기 어렵다. AF 방식은, 릴레이가 수신된 신호를 메모리에 저장하고, 그 다음 시간대에 목적 노드로 전달해야 한다. 이에, 연속적인 수신신호를 저장하기 위하여 릴레이에 많은 메모리가 필요하다는 단점이 있다.
이러한 기존 방식의 문제점을 해소하고자 양자화 후 전달(quantize-forward: QF) 방식이 제안되었다. QF 방식은, 릴레이에서 수신된 신호의 위상(phase)을 검출하고 그 위상으로 새로운 신호를 만들어 목적노드로 전달한다. 이러한 QF 방식은 릴레이에서 간단한 작업을 수행하고 적은 양의 메모리만 요구하기 때문에 간단한 릴레이를 사용하는 센서 네트워크에서 아주 유용한 방식이다. 그러나, 위상 QF 방식은 복잡도가 매우 높은 최대 우도 (maximum-likelihood: ML) 검출방식만 알려져 있으며, 높은 복잡도로 인해 실제 시스템에서 적용이 불가능한 실정이다.
현재, QF 방식의 통신 시스템에서 ML 검출 방식 수준의 높은 성능을 나타내되, 매우 낮은 복잡도를 가지는 새로운 검출 방식의 개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허 10-2051527호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 높은 성능을 나타내며동시에 낮은 복잡도를 갖는, QF 릴레이 통신 시스템에서 수행되는 협력 선형 결합 검출 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 협력 선형 결합(CLC, Cooperative Linear Combining) 검출 방법은,송신기(S), 릴레이(R) 및 수신기(D)를 포함하는 QF(quantize-forward) 릴레이 통신 시스템에서 수행된다. 여기에서, 본 발명에 따른 협력 선형 결합 검출 방법은, 상기 송신기(S)가, M PSK(M-ary Phase Shift Keying) 신호(
Figure pat00001
)를 상기 릴레이(R) 및 수신기(D)로 송출하는 단계; 상기 릴레이(R)가, 상기 송신기(S)로부터 수신된 신호(
Figure pat00002
)을 기정의된 프로세스에 따라 q 비트의 균일 위상 양자화(q-bit uniform phase quantization)하고, 양자화된 신호(
Figure pat00003
)를 상기 수신기(D)로 전달하는 단계; 상기 수신기(D)가, 상기 송신기(S)에서 수신된 제1 신호(
Figure pat00004
)와 상기 릴레이(R)에서 수신된 제2 신호(
Figure pat00005
)를, S-D링크 및 S-R-D 링크 각각에 대한 신호대 잡음비(SNR)에 기초하여 도출된 제1 결합 가중치(
Figure pat00006
) 및 제2 결합 가중치(
Figure pat00007
)에 따라 협력 선형 결합(CLC)하는 단계; 및 상기 수신기(D)가, 기정의된 검출 알고리즘을 이용하여 상기 협력 선형 결합(CLC)된 신호(
Figure pat00008
)에서 목적 신호(
Figure pat00009
)를 검출하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 결합 가중치(
Figure pat00010
)는
Figure pat00011
로 정의(여기에서,
Figure pat00012
는 S-D 링크의 채널 계수(channel coefficient)임)될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 결합 가중치(
Figure pat00013
)는 S-R-D 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00014
)에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 결합 가중치(
Figure pat00015
)는 아래 수학식 (1)에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 (1)]
Figure pat00016
(여기에서,
Figure pat00017
는 R-D 링크에 대한 SNR이고,
Figure pat00018
은 S-R 링크에 대한 등가 SNR이며,
Figure pat00019
는 q비트 균일 위상 양자화를 의미하고,
Figure pat00020
은 S-R 링크의 채널 계수이고,
Figure pat00021
는 R-D 링크의 채널 계수이며,
Figure pat00022
임)
일 실시예에서, 상기 S-R 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00023
)은 아래 수학식 (2)에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 (2)]
Figure pat00024
일 실시예에서, q가 기정의된 임계값 미만인 경우, 상기 S-R 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00025
)은 아래 수학식 (3)에 따른 근사값으로 결정될 수 있다.
[수학식 (3)]
Figure pat00026
Figure pat00027
일 실시예에서, q가 기정의된 임계값 이상인 경우, 상기 S-R 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00028
)은 아래 수학식 (4)에 따른 근사값으로 결정될 수 있다.
[수학식 (4)]
Figure pat00029
Figure pat00030
일 실시예에서, 상기 목적 신호(
Figure pat00031
)를 검출하는 단계는, 상기 수학식 (5)에 따라 상기 목적 신호(
Figure pat00032
)를 검출할 수 있다.
[수학식 (5)]
Figure pat00033
일 실시예에서, 상기 릴레이(R)는,
Figure pat00034
비트의 균일 위상 양자화를 수행할 수 있다.
기존의 ML 검출 방식은, 수신기가 두 수신 신호의 우도함수를 구함에 있어서 릴레이에서 양자화하여 얻을 수 있는 2^q 개의 위상을 모두 고려하여야 함에 따라, 복잡한 적분계산을 M 2^q번 계산하여야 하며, 이에 검출 복잡도가 매우 높다.
본 발명에 따른 협력 선형 결합 검출 방법은, 두 수신 신호에 가중치를 곱하고 선형 결합하는 계산을 M번만 수행하면 되기 때문에, 검출 복잡도는 ML 검출방식과 비교하여 크게 감소될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 검출 방법은 복잡도가 크게 감소하였음에도 심볼오류율(symbol error rate: SER)이 ML 검출방식과 유사한 수준으로 높은 성능을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 QF 릴레이 통신 시스템을 설명하기 위한 참조도이다.
도 2 내지 5는 본 발명에 따른 협력 선형 결합 검출 방법의 성능을 설명하기 위한참조도(시뮬레이션 결과)이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
1. 서론
무선 통신 시스템에서, 릴레이에 의한 협력 통신은 협력 다양성을 실현하기 위해 광범위하게 연구되어 왔다. 복호 후 전달 방식(DF, decode-forward)의 경우, 릴레이는 노이즈의 영향을 제거하지만 릴레이에서 디코딩 및 재인코딩 프로세스가 필요함에 따라 릴레이의 부담을 증가시키며 이에 자원이 제한된 릴레이에는 적합하지 않다.
증폭 후 전달 방식(AF, amplify-forward)의 경우, 릴레이는 이러한 프로세스가 필요하지 않으며, 증폭과 재전송만 수행하면 된다. 그러나, 릴레이는 신호를 받은 다음 바로 전달할 수 없고 메모리에 저장을 한 다음, 그 다음 시간대에 목적 노드로 전달을 해야 함에 따라, 연속적인 수신신호를 저장하기 위하여 수많은 메모리가 필요하다는 단점이 있다.
양자화 후 전달 방식(QF, quantize-forward)의 경우, 릴레이는 수신 신호의 위상(phase)을 검출하여 q비트로 균일하게 양자화하고, 양자화된 위상으로
Figure pat00035
(Phase Shift Keying) 신호를 전송한다. 이러한 QF 방식은 릴레이에서 아주 간단한 작업과 적은 양의 메모리만 필요하기 때문에 간단한 릴레이를 사용하는 센서 네트워크에서 아주 유용하다. 여기에서, 목적 노드에 최대 우도(ML, maximum-likelihood) 검출 방식이 적용되는 경우 상당히 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 그러나 ML 검출을 위한
Figure pat00036
적분 및 비교 프로세스는 매우 높은 복잡도를 가짐에 따라 실제 시스템에 적용하는데 한계가 있다. 한편, 목적 노드에 최대비결합(MRC, maximum ratio combining) 검출 방식이 적용되는 경우, 낮은 복잡도를 갖는 이점이 있으나, 오류 성능 측면에서 한계가 있다.
본 발명은 이러한 종래 기술들에 대한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, S(소스노드, 송신기)-R(릴레이, 중계기)-D(목적노드, 수신기) 링크에 대한 등가 신호대잡음비(SNR, signal-to-noise ratio)를 도출하여 목적노드에서 수신된 신호를 선형적으로 결합하는, QF 릴레이 채널에서의 협력 선형 결합(CLC, cooperative linear combining) 검출 방식을 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 작은 q와 큰 q의 두 가지 케이스에서 Q 함수를 근사화함으로써 CLC 검출을 단순화할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 검출 방식은 다중 릴레이 케이스로 확장이 가능하다. CLC와 단순화된 CLC 검출 방식이 MRC 방식보다 상당히 우수한 성능을 달성하는지 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 본 발명에 따른 방식의 성능은
Figure pat00037
일 때 ML 검출 방식의 성능과 유사한 수준으로 나타났다. 따라서, 릴레이에
Figure pat00038
비트의 균일 위상 양자화(bit uniform phase quantization)가 적용되고 목적노드에 단순화된 CLC 검출 방식이 적용되는 경우, 성능, 복잡성 및 메모리 측면에서 최적의 효과를 나타낼 수 있다.
이하에서는, QF 릴레이 채널에 대한 시스템 모델을 설명하고, 이후 ML, MRC, CLC 및 단순화된 CLC 검출 방식을 비교 설명한다. 다음으로, 본 발명에 따른 검출 방식에 대한 다중 릴레이 채널로의 확장에 대해 설명한다.
2. 시스템 모델
도 1은 소스노드(10), 릴레이(20) 및 목적노드(30)가 하나씩 구성된 반양방(half-duplex) QF 릴레이 채널을 나타낸다. 소스노드-릴레이(SR), 소스노드-목적노드(SD) 및 릴레이-목적노드(RD) 링크의 순간 채널 상태 정보(CSI, instantaneous channel state informations)가 목적노드에 알려져 있다고 가정한다. 첫 번째 단계에서, 소스노드는 독립적으로 균일하게 분포된 M PSK 기호
Figure pat00039
를 릴레이와 목적노드에 송출한다. 두 번째 단계 동안, 릴레이는 수신된 신호를 양자화하고 신호
Figure pat00040
을 목적노드로 전달한다. 여기서
Figure pat00041
은 양자화된 수신 신호의 위상이다. 릴레이와 목적노드에서 수신된 각각의 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[식 (1)]
Figure pat00042
[식 (2)]
Figure pat00043
[식 (3)]
Figure pat00044
여기에서,
Figure pat00045
는 각각 SR, SD 및 RD 링크의 채널 계수(channel coefficients)이고, 릴레이에서 잡음 항(noise term)
Figure pat00046
은 평균 0과 분산
Figure pat00047
인 순환 대칭 복합 가우스 랜덤 변수(circularly symmetric complex Gaussian random variable)이며,
Figure pat00048
은 각각 1단계 및 2단계에서 목적노드에서의 잡음 항이다.
릴레이에서의 위상 양자화를 위해, q(
Figure pat00049
Figure pat00050
)비트의 균일 양자화(즉, k= 0, 1,...,
Figure pat00051
에 대해
Figure pat00052
일 때,
Figure pat00053
Figure pat00054
)를 적용한다. 여기에서,
Figure pat00055
은 q비트 균일 위상 양자화(q-bit uniform phase quantization)를 의미한다. 이러한 종류의 양자화에서는 릴레이가 SR 링크의 CSI를 필요로 하지 않는다. 릴레이 및 목적노드에서 수신된 신호
Figure pat00056
의 송신 SNRs은 모두
Figure pat00057
와 같다. SR, SD, 및 RD 링크에 대한 SNRs은 각각 아래와 같다.
Figure pat00058
Figure pat00059
Figure pat00060
이하에서는, 목적노드에서의 검출 방법에 대해 설명한다.
3. 목적노드에서의 검출 방법
1) ML 검출 방법
릴레이에서 가능한 양자화된 위상
Figure pat00061
Figure pat00062
을 모두 고려하면, 우도 함수
Figure pat00063
를 최대화하는 ML 검출은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[식 (4)]
Figure pat00064
[식 (5)]
Figure pat00065
(for
Figure pat00066
)
Figure pat00067
Figure pat00068
Figure pat00069
일 때, 합산은 적분이 되고
Figure pat00070
에 대한 ML 검출은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[식 (6)]
Figure pat00071
2) MRC 검출 방법
SD 링크와 S-R-D 링크를 통해 목적노드에서 수신된 두 신호
Figure pat00072
와
Figure pat00073
를 결합하기 위해, 해당 SNRs과 결합 가중치(combining weights)가 고려된다. 식 (2)에 대응되는 SD 링크의 SNR은
Figure pat00074
이며 결합 가중치는
Figure pat00075
이다.
S-R-D 링크의 경우, 등가(equivalent) SNR은 릴레이에서 양자화된 위상
Figure pat00076
에 의존한다.
Figure pat00077
Figure pat00078
이므로,
Figure pat00079
의 무작위성으로 인해
Figure pat00080
는
Figure pat00081
와 같거나 같지 않을 수 있다.
Figure pat00082
이므로,
Figure pat00083
Figure pat00084
이고,
Figure pat00085
이다. 여기에서,
Figure pat00086
이다.
Figure pat00087
일 때,
Figure pat00088
이며, 양자화는 노이즈
Figure pat00089
의 무작위성을 제거한다. 그렇지 않으면,
Figure pat00090
Figure pat00091
이다. 두 경우 모두를 고려하여, 식 (3)에서 수신된 신호
Figure pat00092
는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[식 (7)]
Figure pat00093
여기에서,
Figure pat00094
이다.
Figure pat00095
(즉,
Figure pat00096
Figure pat00097
) 일 때, 릴레이에서 완벽히 양자화된 경우, S-R-D 링크에 대한 SNR은
Figure pat00098
이며 결합 가중치는
Figure pat00099
Figure pat00100
이다. 이는 DF 중계 케이스와 유사한 표준 MRC로 볼 수 있다. 알려지지 않은
Figure pat00101
의 존재로 인해 MRC는 최적 상태가 아니며 최적의 결합 가중치을 찾는 것은 간단하지 않다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 협력 선형 결합 검출 방법을 제안한다.
3) 협력 선형 결합(CLC, Cooperative Linear Combining) 검출 방법
SD 링크의 경우 SNR과 최상의 결합 가중치는 상기 2)에서 언급한 것과 동일하다.
두-홉(two-hop) 릴레이 시스템에서 DF 및 AF 릴레이의 S-R-D 링크에 대한 등가 SNR은
Figure pat00102
로 근사화된다(즉, 완벽한 SR 링크에 대한
Figure pat00103
이고, 완벽한 RD 링크에 대한
Figure pat00104
이다).
이것이 동기가 되어, SR 링크와 RD 링크에 대해 각각 등가 SNR을 도출하여 QF 릴레이에 대한 등가 SNR을 얻는 개념을 채택한다. 상기 2)에서 설명한 바와 같이, RD 링크에 대한 등가 SNR은
Figure pat00105
이지만 SR 링크에 대한 등가 SNR을 단언하는 것은 쉽지 않다.
SR 링크에 대한 등가 SNR인
Figure pat00106
를 도출하기 위해, 오류 확률
Figure pat00107
를 유도한다. 신호 x가 주어지면
Figure pat00108
의 오류 확률은 다음과 같다.
[식 (8)]
Figure pat00109
[식 (9)]
Figure pat00110
여기에서,
Figure pat00111
는 식 (5)에 주어진 확률 밀도 함수(probability density function)
Figure pat00112
을 가지고,
Figure pat00113
이다. 식 (8)의 조건부 오류 확률은 전송된 신호 x에 의존하지 않기 때문에 조건 x는 제거될 수 있다.
또한,
Figure pat00114
이기 때문에,
Figure pat00115
Figure pat00116
이며,
Figure pat00117
이다.
Figure pat00118
인 경우, 식 (5)의
Figure pat00119
는 식 (9)의 적분에 대응하는 간격
Figure pat00120
에서 항상 양의 값을 갖는다. 높은 SNR 영역(즉,
Figure pat00121
)에서,
Figure pat00122
이고
Figure pat00123
이며, 이에
Figure pat00124
는 아래와 같이 근사화될 수 있다.
[식 (10)]
Figure pat00125
여기에서, 식 (9)와 (10)을 통합하면 아래와 같다.
[식 (11)]
Figure pat00126
q비트 균일 위상 양자화된
Figure pat00127
은
Figure pat00128
신호로 볼 수 있기 때문에, 식 (11)의 오류 확률은 다음과 같은 부가적 가우시안 노이즈 채널의
Figure pat00129
신호에 대한 등가 오류 확률로 생각할 수 있다.
[식 (12)]
Figure pat00130
여기에서, SR 링크에 대한 등가 SNR은 아래와 같이 표현될 수 있다.
[식 (13)]
Figure pat00131
SR 링크와 RD 링크에 대한 등가 SNR 사이에서 최소값을 선택하면 S-R-D 링크에 대한 등가 SNR
Figure pat00132
로 볼 수 있다.
Figure pat00133
인 경우(즉, 식 (7)에서
Figure pat00134
)를 고려하면, 이에 상응하는 결합 가중치는 아래와 같다.
[식 (14)]
Figure pat00135
여기에서, 협력 선형 결합(CLC)는
Figure pat00136
이며, 이에 상응하는 검출은 아래와 같다.
[식 (15)]
Figure pat00137
4) 단순화된 협력 선형 결합(Simplified CLC) 검출 방법
식 (13)의 SR 링크에 대한 등가 SNR은 처리하기에 너무 복잡하기 때문에, 릴레이에서의 위상 양자화를 위한 비트 수인 q의 사이즈를 고려하여 보다 단순화할 수 있다.
가. 작은 q의 경우
작은 q의 경우, 식 (13)의 Q 함수 내부 항목은 높은 SNR 영역에서 충분히 크다.
Figure pat00138
에 대해, 두 개의 근사화(
Figure pat00139
와,
Figure pat00140
)를 적용(여기에서, a, b는 서로 다른 양의 값임)하면, 높은 SNR 영역에서 식 (13)의 SR 링크에 대한 등가 SNR은 다음과 같이 단순화될 수 있다.
[식 (16)]
Figure pat00141
나. 큰 q의 경우
큰 q의 경우,
Figure pat00142
와
Figure pat00143
는 매우 작으며, 이에 식 (13)의 Q 함수 내부 항목은 관심있는 SNR 영역에서 매우 작다. X=0일 때의
Figure pat00144
에 테일러 급수를 적용하면,
Figure pat00145
이다. 이에, 작은 x 및 x'에 대한 근사화
Figure pat00146
를 식 (13)에 적용하면 아래와 같이 단순화될 수 있다.
[식 (17)]
Figure pat00147
여기에서, 마지막 근사치는 작은 x에 대한 근사화
Figure pat00148
를 적용하여 도출될 수 있다. 식 (14)에 식 (16) 또는 식 (17)을 적용하면 단순화된 CLC 검출이 가능하다.
4. 다중 릴레이로의 확장
N개의 릴레이가 존재하는 경우, N S-R-D 링크와 이에 상응하는 채널 모델은 아래와 같다.
[식 (18)]
Figure pat00149
[식 (19)]
Figure pat00150
여기에서,
Figure pat00151
는 n번째 릴레이에서의 q 비트 균일 양자화된 위상이고,
Figure pat00152
는 n번째 SR 및 RD 링크에서의 채널 계수(channel coefficients)이며,
Figure pat00153
는 n번째 릴레이에서의 잡음 항이고,
Figure pat00154
는 n번째 RD 링크에 대한 목적 노드에서의 잡음을 나타낸다.
멀티 릴레이 채널에서, ML 검출(
Figure pat00155
)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[식 (20)]
Figure pat00156
여기에서, 채널 계수에 대한 조건은 생략되며, 식 (5)에서
Figure pat00157
(for
Figure pat00158
) 와,
Figure pat00159
은,
Figure pat00160
로 된다.
단일 릴레이 경우에 대한 단계에 따라, n번째 SR 링크에 대한 등가 SNR이 아래와 같이 도출될 수 있다.
[식 (21)]
Figure pat00161
n번째 S-R-D 링크에 대한 가중치는 아래와 같다.
[식 (22)]
Figure pat00162
여기에서,
Figure pat00163
,
Figure pat00164
이다.
멀티 릴레이 채널에 대한 CLC 검출은 아래와 같다.
Figure pat00165
여기에서,
Figure pat00166
이다.
n번째 SR 링크에 대한 단순화된 등가 SNR은 아래와 같다.
Figure pat00167
(작은 q의 경우)
Figure pat00168
(큰 q의 경우)
5. 시뮬레이션 결과
상기 3. 에서, 릴레이에서 균일 위상 양자화를 갖는 QF 릴레이 채널에 대한 ML 검출 및 표준 MRC 검출에 대해 설명하였다.
Figure pat00169
번의 적분 및 비교로 인해, 최적의 ML 검출은 고차 변조 및 양자화를 위해 구현하는 데 많은 시간이 걸린다. 반대로, 낮은 복잡도를 갖는 MRC는 좋은 성능을 제공할 수 없다. 본 발명은 이러한 단점을 극복하기 위해 S-R-D 링크에 대한 등가 SNR을 고려한 CLC 검출 방법과 이에 대한 단순화된 방법을 제안했다. 본 발명에 따른 CLC 검출 방법은 2M번의 복소수 곱, M번의 복소수 합 및 비교 연산, 그리고 추가적인 수의 계산 과정(예 : 덧셈, 곱셈, 나눗셈, 제곱, 사인, Q 함수/역함수 등)만 필요하다. 한편, 단순화된 CLC 검출 방법은 Q 함수/역함수에 대한 계산도 필요하지 않다. 또한, 4.에 기재한 바와 같이, 본 발명에 따른 검출 방법은 다중 릴레이 채널로 확장 가능하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 이점을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 제시한다. 보다 구체적으로, 레일리 페이딩(Rayleigh fading)(즉,
Figure pat00170
)를 겪는 QF 릴레이 채널의 목적노드에서 각 검출 방법에 따른 SER(symbol error rate)를 비교하여 그 결과에 대해 설명한다.
도 2는 상이한 q 값을 갖는 QPSK 및 8PSK에 대한 단일 QF 릴레이 채널에서 ML 검출의 SER을 비교한 결과이다.
Figure pat00171
일 때, SER은 식 (6)에서
Figure pat00172
인 경우 및 AF 릴레이인 경우와 매우 유사하다. 이를 통해, 릴레이에서 적은 양의 메모리를 사용하여 합리적인 성능을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, ML, MRC, CLC 및 단순화된 CLC 검출에 대한 SER 비교는 도 3 및 4에 나타난 바와 같이,
Figure pat00173
,
Figure pat00174
Figure pat00175
의 경우로 한정하여 수행된다. 도 3 및 4를 참조하면, ML 검출 방식이 가장 좋은 성능을 나타내고 MRC 검출 방식이 가장 낮은 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. CLC와 단순화된 CLC 검출 방식은 MRC 검출 방식보다 훨씬 우수한 성능을 나타내지만 ML 검출 방식과 유사한 수준을 나타낸다. 또한, CLC 및 단순화된 CLC 검출 방식의 성능은
Figure pat00176
일 때 ML 검출 방식의 성능에 매우 근접한 수준을 나타낸다. 도 5를 참조하면, N = 2의 멀티 채널에서의 SER 비교 결과, 위와 유사한 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 S-R-D 링크에 대한 등가 SNR을 도출하여 목적노드에서 수신된 신호를 선형 결합하는 QF 릴레이 채널에서의 협력 선형 결합(CLC) 탐지 방법을 제안한다. CLC 검출 방법은 작은 q와 큰 q의 두 가지 경우에서 Q 함수를 근사화함으로써 단순화될 수 있다. 또한 CLC 및 단순화된 CLC 검출 방법은 다중 릴레이 채널로 확장 가능하다. 시뮬레이션 결과, 본 발명에 따라 릴레이에
Figure pat00177
비트의 균일 위상 양자화를 적용하고 목적노드에 단순화된 CLC 검출을 적용하는 경우, 성능, 복잡성 및 메모리 측면에서 최적의 선택이 될 수 있음이 확인되었다.
6. 본 발명에 따른 CLC 검출 방법
이하에서는, 본 발명에 따른 CLC 검출 방법에 대하여 설명한다. 한편, 상기 1 내지 5에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
본 발명에 따른 CLC 검출 방법은 송신기(S, 10), 릴레이(R, 20) 및 수신기(D, 30)를 포함하는 QF 릴레이 통신 시스템에서 수행된다. 여기에서, 송신기(S), 릴레이(R) 및 수신기(D) 각각은 상술한 신호 처리를 위한 세부 장치들을 포함하여 구성된다. 한편, 릴레이 통신 시스템에 구성된 세부 장치들의 종류, 명칭, 개수 등과 무관하게, 본 발명에 따른 CLC 검출 방법을 수행하는 QF 릴레이 통신 시스템이라면, 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
우선, 송신기(S)가, M PSK(M-ary Phase Shift Keying) 신호(
Figure pat00178
)를 상기 릴레이(R) 및 수신기(D)로 송출한다.
다음으로, 릴레이(R)가, 상기 송신기(S)로부터 수신된 신호(
Figure pat00179
)을 기정의된 프로세스에 따라 q 비트의 균일 위상 양자화(q-bit uniform phase quantization)하고, 양자화된 신호(
Figure pat00180
)를 상기 수신기(D)로 전달한다.
이후, 수신기(D)가, 상기 송신기(S)에서 수신된 제1 신호(
Figure pat00181
)와 상기 릴레이(R)에서 수신된 제2 신호(
Figure pat00182
)를, S-D링크 및 S-R-D 링크 각각에 대한 신호대 잡음비(SNR)에 기초하여 도출된 제1 결합 가중치(
Figure pat00183
) 및 제2 결합 가중치(
Figure pat00184
)에 따라 협력 선형 결합(CLC)한다.
이후, 수신기(D)가, 기정의된 검출 알고리즘을 이용하여 상기 협력 선형 결합(CLC)된 신호(
Figure pat00185
)에서 목적 신호(
Figure pat00186
)를 검출한다.
일 실시예에서, 제1 결합 가중치(
Figure pat00187
)는
Figure pat00188
로 정의될 수 있고, 제2 결합 가중치(
Figure pat00189
)는 S-R-D 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00190
)에 기초하여 결정될 수 있다. 여기에서, 제2 결합 가중치(
Figure pat00191
)는 식 (14)에 따라 결정될 수 있다.
일 실시예에서, S-R 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00192
)은 식 (13)에 따라 결정될 수 있다.
일 실시예에서, q가 기정의된 임계값 미만인 경우, S-R 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00193
)은 식 (16)에 따른 근사값으로 결정될 수 있다.
다른 일 실시예에서, q가 기정의된 임계값 이상인 경우, S-R 링크에 대한 등가 SNR(
Figure pat00194
)은 식 (17)에 따른 근사값으로 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 목적 신호(
Figure pat00195
)는 식 (15)에 따라 검출될 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이(R)는
Figure pat00196
비트의 균일 위상 양자화를 수행할 수 있으며, 이 경우 5.에서 설명한 바와 같이 매우 낮은 복잡도를 가지며 ML 검출 방식에 근접한 성능을 나타낼 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 송신기(소스노드)
20 : 중계기(릴레이)
30 : 수신기(목적노드)

Claims (9)

  1. 송신기(S), 릴레이(R) 및 수신기(D)를 포함하는 QF(quantize-forward) 릴레이 통신 시스템에서 수행되는 협력 선형 결합(CLC, Cooperative Linear Combining) 검출 방법에 있어서,
    상기 송신기(S)가, M PSK(M-ary Phase Shift Keying) 신호(
    Figure pat00197
    )를 상기 릴레이(R) 및 수신기(D)로 송출하는 단계;
    상기 릴레이(R)가, 상기 송신기(S)로부터 수신된 신호(
    Figure pat00198
    )을 기정의된 프로세스에 따라 q 비트의 균일 위상 양자화(q-bit uniform phase quantization)하고, 양자화된 신호(
    Figure pat00199
    )를 상기 수신기(D)로 전달하는 단계;
    상기 수신기(D)가, 상기 송신기(S)에서 수신된 제1 신호(
    Figure pat00200
    )와 상기 릴레이(R)에서 수신된 제2 신호(
    Figure pat00201
    )를, S-D링크 및 S-R-D 링크 각각에 대한 신호대 잡음비(SNR)에 기초하여 도출된 제1 결합 가중치(
    Figure pat00202
    ) 및 제2 결합 가중치(
    Figure pat00203
    )에 따라 협력 선형 결합(CLC)하는 단계; 및
    상기 수신기(D)가, 기정의된 검출 알고리즘을 이용하여 상기 협력 선형 결합(CLC)된 신호(
    Figure pat00204
    )에서 목적 신호(
    Figure pat00205
    )를 검출하는 단계;
    를 포함하는 협력 선형 결합 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합 가중치(
    Figure pat00206
    )는
    Figure pat00207
    로 정의(여기에서,
    Figure pat00208
    는 S-D 링크의 채널 계수(channel coefficient)임)되는 것을 특징으로 하는,
    협력 선형 결합 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 결합 가중치(
    Figure pat00209
    )는 S-R-D 링크에 대한 등가 SNR(
    Figure pat00210
    )에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    협력 선형 결합 검출 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 결합 가중치(
    Figure pat00211
    )는 아래 수학식 (1)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 협력 선형 결합 검출 방법.

    [수학식 (1)]
    Figure pat00212

    (여기에서,
    Figure pat00213
    는 R-D 링크에 대한 SNR이고,
    Figure pat00214
    은 S-R 링크에 대한 등가 SNR이며,
    Figure pat00215
    는 q비트 균일 위상 양자화를 의미하고,
    Figure pat00216
    은 S-R 링크의 채널 계수이고,
    Figure pat00217
    는 R-D 링크의 채널 계수이며,
    Figure pat00218
    임)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 S-R 링크에 대한 등가 SNR(
    Figure pat00219
    )은 아래 수학식 (2)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 협력 선형 결합 검출 방법.

    [수학식 (2)]
    Figure pat00220

  6. 제4항에 있어서,
    q가 기정의된 임계값 미만인 경우,
    상기 S-R 링크에 대한 등가 SNR(
    Figure pat00221
    )은 아래 수학식 (3)에 따른 근사값으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 협력 선형 결합 검출 방법.

    [수학식 (3)]
    Figure pat00222
    Figure pat00223

  7. 제4항에 있어서,
    q가 기정의된 임계값 이상인 경우,
    상기 S-R 링크에 대한 등가 SNR(
    Figure pat00224
    )은 아래 수학식 (4)에 따른 근사값으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 협력 선형 결합 검출 방법.

    [수학식 (4)]
    Figure pat00225
    Figure pat00226

  8. 제4항에 있어서, 상기 목적 신호(
    Figure pat00227
    )를 검출하는 단계는,
    상기 수학식 (5)에 따라 상기 목적 신호(
    Figure pat00228
    )를 검출하는 것을 특징으로 하는,
    협력 선형 결합 검출 방법.

    [수학식 (5)]
    Figure pat00229

  9. 제4항에 있어서, 상기 릴레이(R)는,
    Figure pat00230
    비트의 균일 위상 양자화를 수행하는 것을 특징으로 하는,
    협력 선형 결합 검출 방법.
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