This thesis investigates about two- and three-way relaying for wireless communications. The contents of thesis are summarized as follows. First, we study how amount of capacity gain is obtained when the two-hop two-way relaying is applied into the cellular relay networks. Second, the power control method for two-way relaying is studied. Third, the three-way relaying extended from the conventional two-way relaying is proposed and its achievable rate region is specified.
More specifically, in Chapter 2, we consider the transmission mode and user selection problem in cellular relay networks. The transmission mode selection denotes the determination between one-hop and two-hop two-way relaying under a BS, relay, and $\It{K}$ mobile-stations (MSs) system configuration. The best transmission mode and user selection is possible when the channel state information (CSI) between BS and RS, between BS and $\It{K}$ MSs, and between RS and $\It{K}$ MSs is fed to BS. However, this increases the feedback quantity as $\It{K}$ increases. Hence, we propose two-step scheduling such that the transmission mode is first determined and the user is selected using the CSI of previously determined transmission mode. This approach can reduce the feedback quantity by half compared to that of full feedback. We propose the metric of transmission mode selection by maximizing sum ergodic rate between one-hop and two-hop two-way relaying. The system level simulation shows that the performance loss of proposed two-step scheduling is marginal compared to that of optimal selection with full feedback. In Chapter 3, the power allocation for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based two-way relaying is studied. The conventional method was the optimal power allocation using dual decomposition under the individual power constraint of two terminals and a relay. However, the conventional method inefficiently utilizes the powers and the computational complexity is high. Hence, we propose the power allocation methods under the total power constraint of two terminals and a relay. The optimal power allocation is proposed and the computationally efficient two-step power allocation is also proposed. According to the proposed two-step method, the half of total power is allocated into the relay and the remaining power is divided into the two terminals for the received signal-to-noise ratio (SNR) to be identical at two destination terminals. The simulation result shows that the performance loss of proposed two-step approach is negligible compared to that of optimal power allocation. In Chapter 4, we propose the three-way relaying by extending the conventional two-way relaying. The three-way relaying protocol operates that in a time slot, three terminals transmit the message simultaneously to a relay and in another time slot, a relay forwards the received signals after multiplying a amplification factor. Two time slots are needed for three terminals to exchange the messages. Each terminal adopts the multiuser decoding (MUD) to decode the two received messages simultaneously from the received signal after a self-interference cancelation. For MUD, the rate control is necessary for two messages to be decoded simultaneously. We propose the optimal rate control strategy to maximize the sum rate of three terminals. The optimal power control is also proposed. For the comparison, two protocols are proposed such as time-division multiple access (TDMA) implementation of two-way relaying and TDMA implementation of one-way broadcasting relay, which is that one terminal transmits the message to a relay in a time slot and a relay broadcasts a messages to two destination terminals in another time slot. The simulation results shows that the performance of proposed three-way relaying is higher than that of the other comparing protocols.
본 논문은 무선 통신에서의 양방향 및 세방향 릴레이 통신에 관한 연구를 수행하였다. 전체적인 논문의 내용은 다음의 세가지로 요약된다. 첫째, 양방향 릴레이 통신이 기존 셀룰라 릴레이 시스템에 적용되었을 때 시스템의 성능이 얼마나 증가 하는지에 대한 연구를 수행 하였다. 둘째, 양방향 릴레이 통신의 성능을 높이기 위한 전력제어에 관한 연구를 수행 하였다. 셋째, 기존의 양방향 릴레이를 확장하여 세방향 릴레이 프로토콜을 제안 하였다.
구체적으로 챕터 2에서는, 셀룰라 릴레이 네트웍에서의 전송방식 및 사용자 선택에 관한 문제에 대한 연구를 수행 하였다. 전송방식 선택이라 함은 기지국과 릴레이가 하나씩 존재하고 $\It{K}$ 명의 사용자가 존재하는 상황에서 기지국과 사용자가 통신을 할 때 릴레이를 거치지 않고 직접 통신(one-hop)을 할지 또는 릴레이를 거쳐(two-hop) 양방향 릴레이 방식으로 통신을 할지에 대한 선택 문제이다. 기지국과 릴레이, 기지국과 $\It{K}$ 명의 사용자, 그리고 릴레이와 $\It{K}$ 명의 사용자 사이의 모든 채널 정보를 기지국으로 피드백 할 경우 최적의 전송방식 및 사용자 선택이 가능하다. 하지만 모든 채널을 피드백 할 경우 사용자 $\It{K}$ 가 증가 함에 따라 피드백 양이 증가한다는 단점이 있다. 그러므로, 본 논문에서는 채널 피드백 양을 반으로 줄이기 위하여 전송방식을 먼저 결정하고 전송방식에 따른 채널 피드백을 하고 사용자를 선택하는 두단계 스케줄링 방안을 제안한다. 첫번째 단계인 전송방식 결정에 있어서 본 논문에서는 각 전송방식, 즉 one-hop 및 two-hop 양방향 릴레이, 의 평균 상향/하향 링크 합용량을 최대화하는 방식을 제안한다. 제안하는 두단계 스케줄링 방안을 통한 스케줄링 방안이 모든 채널을 피드백하는 방안 대비 성능의 감소가 적음을 시스템 레벨 시뮬레이션을 수행하여 보인다.
챕터 3에서는 orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 기반의 양방향 릴레이에서의 전력 제어에 관한 내용이다. 기존의 전력 제어 방안은 각 터미널, 즉 두명의 사용자 및 릴레이, 의 전력 제한이 있을 경우 복잡한 최적의 방안으로 전력 제어를 하는 것을 제안 하였다. 하지만 기존 방안의 경우 각 터미널의 전력 제한이 있기 때문에 전력 제어가 비효율적이라는 단점이 있고 또한 복잡도가 높다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 각 터미널의 전력 제한이 아닌 전체 터미널의 합 전력 제한에서 전력 제어를 수행하였다. 합 전력 제한에서 합 용량 최대화를 위한 문제를 세워, 최적 전력 제어 방안을 도출하였고, 또한 복잡도가 낮은 전력 제어 방안을 제안하였다. 제안하는 방안은 두단계 전력 제어 방안 인데 제안하는 방안의 결과는 다음과 같다. 채널 상황에 관계 없이 항상 전체 합 전력의 반을 릴레이 터미널에 할당하고 나머지 반의 전력을 두명의 사용자에 할당 하여 수신 signal-to-noise ratio (SNR)이 동일하도록 하는 방안이다. 제안하는 방안은 복잡도에 있어서 최적 전력 제어 방안에 비하여 현저히 감소함을 보였고 또한 시뮬레이션을 수행하여 제안하는 방안이 최적 방안에 비하여 성능의 차이가 거의 없음을 보였다.
챕터 4에서는 기존 두명의 사용자가 릴레이를 통하여 서로 데이터를 주고 받는 양방향 릴레이를 세명의 사용자가 하나의 릴레이를 통하여 데이터를 주고 받는 세방향 릴레이로의 확장을 제안한다. 세방향 릴레이 프로토콜은 양방향 릴레이와 마찬가지로 세명의 사용자가 첫번째 타임 슬롯에 데이터를 동시에 릴레이로 전송하고 두번째 타임 슬롯에 릴레이가 수신 신호를 각 사용자에게 포워딩 하는 프로토콜이다. 따라서 각 사용자는 수신 신호에서 자기 간섭 신호를 제거한 후 두명의 상대방 데이터를 동시에 복호하는 다중사용자 복호를 사용한다. 또한 동시에 수신되는 두 사용자의 데이터가 동시에 복호되기 위해서는 전송량 제어가 필요하고 본 논문에서는 합 용량을 최대화 하기 위한 최적 전송량 제어 방안을 제안한다. 전송량 제어와 더불어 합 용량을 더욱 높이기 위한 전력 제어 방안 또한 제안한다. 비교를 위하여 time division multiple access (TDMA) 방식으로 양방향 통신을 하는 방안을 제안하였고 TDMA 방식으로 한명의 사용자가 데이터를 릴레이로 보내고 릴레이는 수신한 신호를 다른 두 사용자에게 브로드캐스팅 하는 방식을 제안하였다. 제안하는 세방향 릴레이의 성능이 비교하는 시스템 대비 높음을 시뮬레이션을 통하여 보였다.
