This thesis deals with amplify and forward (AF) relay system over frequency selective channel. Conventional wireless AF relay amplifies-and-forwards both received signals and additive white Gaussian noise (AWGN). Since amplified AWGN passes through frequency selective channel between the relay and the destination, the effective noise at destination must be colored. This thesis proposes amplify and forward (AF) relay system employing superimposed pilot (SIP) scheme over frequency selective channel. In the proposed system, AF relay superimposes pilot on the received frame and forwards to the destination. Receiver in the proposed system can estimate relay to destination channel additionally by exploiting SIP. Additionally-estimated channel information enables the design of the optimal noise-whitening filter dealing with colored noise. By computer simulation, we showed that the proposed system outperforms the conventional AF relay system and we optimized SIP power numerically in the sense that minimizes BER. Also we observed that higher SNR between relay and destination link widens BER performance gap between the conventional system and the proposed system. At last, simulation results showed that BER performance gap with channel coding is greater than uncoded BER performance gap.
점 대 점(point to point) 통신에서 어떠한 정보(information)를 중계(relaying)하는 것은 근 통신 시스템에서 매우 중요한 부분 중 하나이다. 점 대 점 통신시스템 사이에서 이러한 역할을 해 주는 것을 릴레이라 하며 이러한 릴레이의 활용은 무선통신 환경에서 보다 더 높은 커버리지 (coverage)를 보장하거나 용량(capacity)을 증가시키기 위하여 셀롤러(cellular)시스템, WLAN 그리고 ad-hoc network 등에 많이 적용된다. 무선 통신 시스템에서 서로 멀리 떨어져 있는 송, 수신단간에 직접적인 점 대 점 통신은 매우 큰 전송 파워를 필요로 하고 이 경우 통신의 안정성(reliable)도 보장될 수 없다. 만일 송신단의 파워에 제약이 있는 경우 이러한 큰 전송 파워의 사용은 네트워크의 수명을 단축시킬 뿐 아니라 근처의 다른 통신 시스템에 간섭(interference)로 작용하기 때문에 전체 시스템에 큰 혼란이 야기된다. 따라서 이러한 상황에서 송신단과 수신단 사이에 릴레이를 사용하면 한 홉당 전송 거리를 줄일 수 있고 전송 파워를 보다 효율적으로 사용할 수 있음을 의미하며 인접 시스템에 미치는 간섭을 줄일 수 있다는 이점이 이다. 또한 릴레이를 사용함으로써 송신단과 릴레이 그리고 릴레이와 수신단 사이의 링크거리가 줄어들게 된다는 것은 기존 송신단과 수신단간의 점 대 점 통신보다 더 높은 SNR(signal to noise ratio)을 제공함을 의미하므로, 릴레이를 사용하므로 인해 두 번의 전송 과정이 필요하게 되더라도 릴레이를 통한 무선 통신은 점 대 점 통신보다 좋은 성능을 보일 수 있다.
이러한 릴레이 시스템 중 가장 많이 연구되고 있는 것이 AF(amplify and forward)릴레이와 DF(decode and forward)릴레이다. DF 릴레이 시스템에서 릴레이는 송신단으로부터 전송된 신호를 AD(analog to digital)변환기 (converter)를 통하여 디지털(digital)신호로 변환한 뒤 복호(decoding)과정을 거쳐 송신단에서 보낸 신호를 추정한 후 다시 인코딩(encoding)하여 최종 목적지인 수신단으로 다시 전송하게 된다. 이러한 이유로 DF 릴레이는 regenerative 릴레이 또는 디지털 릴레이라고도 불린다. 이에 반해 AF 릴레이는 일련의 복호과정 없이 아날로그(analog)에서 단순히 받아들인 신호에 어떠한 릴레이 이득(gain)을 곱하여 수신신호를 단순 증폭해주는 역할을 하므로 아날로그 릴레이 또는 nonregenerative 릴레이라고 불린다. 이러한 이유로 DF 릴레이는 AF 릴레이에 비해 복잡도 (complexity)가 높고 그에 따른 전력 소모(power consumption)등이 증가한다는 단점이 있다. 이러한 추가적인 비용을 고려하면 현실적으로는 AF 릴레이를 사용하는 것이 효율적일 수 있다. 또한 AF 릴레이는 CSI(channel state information)도움 (assist)방식의 AF 릴레이와 blind AF 릴레이 두 가지로 구분된다. CSI 도움방식의 AF 릴레이는 송신단과 릴레이 사이의 즉각적인 채널 정보를 이용하여 릴레이의 이득을 결정하기 때문에 릴레이에서 다시 전송하는 신호의 파워를 일정하게 조절할 수 있다. 반면에 blind 방식의 Af 릴레이는 송신단과 릴레이 사이의 채널 정보를 이용하지 않고 미리 정해진 릴레이 이득을 단순히 곱하여 수신단에 다시 전송해주게 되므로 릴레이에서 재전송하는 신호의 파워는 채널 상황에 따라서 수시로 변할 수 있다. 비록 blind 방식의 AF 릴레이 시스템이 CSI 도움 방식의 AF 릴레이 시스템만큼의 성능을 보인다고 예상 할 수는 없지만 blind 방식의 AF 릴레이 시스템은 송신단과 릴레이 사이의 채널을 피드백(feedback)받거나 추정하지 않아도 되므로 복잡도가 낮고 구현상 용이하다. 이러한 현실적인 관점에서 보면 blind 방식의 AF 릴레이 시스템을 사용하는 것이 매력적이라 할 수 있고 이에 대한 많은 연구가 진행되었다. 이러한 이유에서 본 논문에서는 blind 방식의 AF 릴레이 시스템을 다루도록 한다.
릴레이를 사용하는 시스템에서 릴레이의 위치가 송신단보다 수신단에 더 가까이 있는 경우 path loss 등을 고려하면 송신단과 릴레이 사이의 SNR 이 릴레이와 수신단 사이의 SNR 보다 좋지 않다. 만일 이러한 경우 DF 릴레이 사이의 SNR 이 릴레이와 수신단 사이의 SNR 보다 좋지 않다. 만일 이러한 경우 DF 릴레이를 사용한다면 송신단과 릴레이 사이의 낮은 SNR에 의해 생긴 DF 릴레이에서의 복호 오류(decoding error)가 수신단에 그대로 전해지게 되므로 이러한 상황에서는 AF 릴레이를 사용하는 것이 DF 릴레이를 사용하는 것보다 좋은 성능을 보인다. 따라서 본 논문에서는 릴레이와 수신단사이의 링크 SNR이 송신단과 릴레이 링크의 SNR 보다 더 좋은 환경을 가정한다. 또한 본 논문에서 가정하고 있는 주파수 선택적 채널에서는 릴레이에서 더해진 AWGN 노이즈가 릴레이와 수신단 사이의 주파수 선택적 채널을 통과하면서 coloring이 되고 이 때문에 수신단의 노이즈는 더 이상 모든 주파수 영역에서 스펙트럼이 일정한 백색 잡음이 아닌 릴레이와 수신단의 채널에 따른 colored 노이즈가 된다. 기존의 AF 릴레이 시스템에서는 이러한 노이즈 coloring 의 효과를 적절히 보상해 줄 수가 없기 때문에 노이즈의 coloring 정도가 심하면 심할수록 수신단에서의 BER 성능이 저하 된다는 문제점이 있다.
본 논문에서는 이러한 문제점에 착안하여 SIP(superimposed pilot)를 이용하는 AF릴레이 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템에서의 릴레이는 송신단으로부터 받은 신호를 수신단에 재전송 해줄 뿐만 아니라 수신단에서 미리 알고 있는 파일럿 신호(pilot sequence)를 재전송하는 프레임에 얹어서 보내게 된다. 따라서 제안하는 시스템의 수신단에서는 SIP를 이용하여 릴레이와 수신단 사이의 채널을 추정할 수 있고, 이를 이용하여 colored 노이즈에 최적의 처리(optimal processing)를 해 줄 수 있는 노이즈 화이트닝 (noise whitening)필터를 설계할 수 있다. 제안된 기법을 사용하면 기존 AF릴레이 시스템에 비해 효과적으로 BER 성능을 개선할 수 있다.
본 논문은 다음과 같이 구성되어있다. 2장에서는 AF 릴레이 시스템과 그 신호모델에 대해서 알아보고 주파수 선택적 채널의 특성에 대해서 알아보도록 한다. 3장에서는 AF 릴레이 시스템에서 사용할 수 있는 채널 추정기 및 채널 등화기의 구조 및 알고리즘에 대해서 살펴볼 것이다. 또한 4장에서는 SIP를 이용하는 AF 릴레이 시스템을 제안하며 이 경우 수신단 구조에 대해 제안한다. 또한 5장에서는 제안된 시스템의 모의실험 결과를 보이고 6장에서 결론을 내릴 것이다.
