There are two distinctive channel models in modern wireless communication networks. One of them is a cognitive radio channel which allows unlicensed secondary users to access licensed primary users` spectrum that is either unused or lightly used in most of the time. The other is a cooperative relay channel which exploits multiple relays to help communication between the source and the destination nodes such that they cooperatively forward the messages received from the source node to the destination node. In this thesis, we especially focus on capacity bounds for cooperative relay and cognitive radio channels.
Expanding the concept of the cognitive radio, we first propose a cognitive radio system with opportunistically permitting excessive secondary-to-primary (S-P) interference by performing multiuser decoding at the primary receiver whenever excessive S-P interference is allowed. Assuming a slowly-varying fading interference channel with two-senders and two-receivers, the primary sender adjusts its rate and power depending on its own channel, while ignoring the secondary user. Through an optimization process, the secondary sender`s rate and power are determined and the decision is made on whether the secondary sender violates the S-P interference power limit. Remarkably, the proposed system can provide a considerably high data rate for the secondary user even without sacrificing the data rate for the primary user over a wide range of signal-to-noise ratios.
We next consider a cooperative relay channel with two half-duplex relays that alternately forward their received messages such that one of the relays transmits data to the destination while the other receives data from the source.For the Gaussian alternating two-path relay channels, we propose a decode-and-forward (DF) strategy to combine two distinctive schemes which differently treat codewords that each relay receives from the other relay.We show that combining both schemes can be better than simply choosing the best of them. Under the symmetric channel condition, we also show that it is optimal for each relay to consider the codeword from the other relay as interference. Finally, we can see that the gap between the achievable rate of the proposed DF strategy and the upper bound is relatively small or negligible in most cases.
Finally, we consider the above two distinctive channel models together by dealing with two-hop relaying communications over cognitive radio networks. We propose two kinds of two-hop relaying communications over cognitive radio networks, where one is with only one relay and the other is with one primary relay and one secondary relay. It is assumed that at least one of the relays knows the existence of the secondary transmitter-receiver pair and its codebook. Interestingly, we show that it is always possible to enable communications for the secondary transmitter-receiver pair without sacrificing the performance of the primary transmitter-receiver pair even if the primary transmitter-receiver pair does not know the existence of the secondary transmitter-receiver pair.
최근의 무선 통신망에서는 두 가지 특징적인 채널 모델들이 존재한다. 첫 번째는 인지 통신 채널 모델로서, 해당 주파수 대역에 대한 사용권을 지닌 우선 사용자의 주파수 대역 사용 빈도가 낮은 경우, 차선 사용자의 해당 주파수 대역에의 접근을 허용하는 통신 모델이다. 두 번째는 협력 중계 모델로서, 출발지 노드와 목적지 노드 사이의 통신을 돕기 위해 다수의 중계기가 상호 협력하여 출발지 노드로부터 수신한 신호들을 목적지 노드로 전달하는 통신 모델이다. 본 학위 논문에서는 특히 협력 중계 및 인지 통신 채널의 용량 한계를 다룬다.
첫째, 기존의 인지 통신 개념을 확장하여 우선 사용자의 수신 단에서 선택적으로 자기 자신의 데이터뿐만 아니라 차선 사용자의 데이터를 함께 복원함으로써, 차선 사용자가 우선 사용자에 미치는 간섭의 한계 초과를 선택적으로 허용하는 인지 통신 시스템을 제안한다. 천천히 변하는 페이딩 채널이 두 사용자의 송수신 단들 사이에 존재한다고 가정하고, 우선 사용자는 차선 사용자에 구애 받지 않고 자기 자신의 채널 상황만을 고려하여 데이터 전송 속도와 송신 전력을 결정한다. 차선 사용자의 데이터 전송 속도, 송신 전력 및 우선 사용자에 미치는 간섭의 한계 초과 여부는 최적화 과정을 수행하여 결정한다. 그 결과, 제안하는 방식은 비교적 넓은 신호 대 잡음 비 영역에서 우선 사용자의 데이터 전송률을 전혀 감소시키지 않으면서도 차선 사용자에게 상당히 큰 데이터 전송률을 제공할 수 있다.
둘째, 동시 송수신이 불가능한 두 개의 중계기가 서로 번갈아 가며 한 개의 중계기가 송신하는 동안에는 다른 중계기는 수신하는 방식으로 동작하는 협력 중계 통신 모델을 다룬다. 가우시안 채널에 대하여 각각의 중계기가 다른 중계기로부터 수신한 신호를 처리함에 있어서 두 가지 각기 다른 방식을 결합한 복호 기반 중계 전송 방식을 제안한다. 이때 단순히 두 가지 각기 다른 방식 중 보다 나은 쪽을 선택하는 방식에 비해 제안하는 방식의 성능이 더 우수하다. 또한 대칭적인 채널 상황에서는 각각의 중계기가 다른 중계기로부터 수신한 신호를 간섭 신호로 취급하는 방식이 최적임을 보인다. 더불어, 제안하는 복호 기반 중계 전송 방식이 대부분의 경우 채널 용량을 매우 근접하게 달성할 수 있다.
마지막으로, 위의 두 가지 특징적인 채널 모델들을 함께 고려한 중계 기반의 인지 통신망을 다룬다. 중계기가 오직 한 개만 존재하거나, 우선 사용자용 중계기와 차선 사용자용 중계기가 각각 한 개씩 존재하는 중계 기반 인지 통신망에 대하여 중계 방식을 제안한다. 이때 적어도 한 개의 중계기는 우선 사용자 및 차선 사용자에 대한 정보를 모두 인지하고 있다고 가정한다. 흥미롭게도, 제안하는 방식을 이용하여, 우선 사용자가 차선 사용자에 대해 전혀 인지하고 있지 않는 상태에서도, 우선 사용자의 통신 성능을 전혀 해치지 않으면서 차선 사용자의 통신이 가능하다.
