This thesis proposes algorithms for wireless relay and limited-feedback communication systems, and analyzes the performance of them. As two of the promising technologies used to dramatically increase the achievable rate and the reliability of wireless communication systems, we address MIMO and two-way relaying methods. Specifically, in the first part of this thesis, the MIMO system with a \textit{linear detector} is considered in pursuit of guaranteeing the feasibility of the proposed scheme. To achieve near-maximum likelihood (ML) performance with a linear detector, we consider the lattice reduction (LR)-aided precoding. It is assumed that the feedback bits are limited to a few bits. Under these constraints, we propose a new LR-aided precoding method with limited feedback, based on a statistically-designed codebook. The proposed LR-aided precoding takes advantage of the fact that it is enough for the transmitter to have only a part of the information of the precoding matrix, because the receiver has the full information of the precoding matrix as well as the channel matrix. Within the proposed LR-aided precoding scheme, the number of feedback bits is further reduced from that for representing a binary matrix in the conventional LR-aided precoding. More noticeable thing is that the proposed scheme can be applied under any given number of feedback bits, while, in the conventional LR-aided precoding, the number of feedback bits is not a design option but a fixed value that is determined by the number of transmit antennas. As a result, the proposed LR-aided precoding provides a nice compromise between the number of feedback bits and the performance.
In the second part of this thesis, new two-way relaying (TWR) methods are proposed for the purpose of reducing the computational complexity and increasing the achievable rate of wireless communication systems. To implement the physical-layer network coding with pulse amplitude modulation (PAM) higher than binary phase shift keying, a lattice code (LC) or a nonbinary code (NBC) is required. However, the major drawback of LC and NBC is their high computational complexity. Thus, we propose new PAM methods to employ computationally attractive binary channel codes by resolving the detection ambiguity that takes place if the uniform PAM is applied. In addition, we propose two new approaches to effectively handle the MIMO channel matrices in the MIMO TWR channel. In the proposed MIMO TWR schemes, we make the effective channel matrices be diagonal or upper-triangular such that XOR network coding works nicely with a proper power allocation. In the last part of this thesis, the multi-user scenario is considered, where the multiple users try to communicate with a single node, with the aid of a single relay node. The user selection method is proposed, that maximizes the achievable sum-rate of the users selected. By using the proposed user selection method, multi-user diversity can be easily obtained for the MIMO TWR channel, which results in an achievable rate close to the cut-set bound.
본 학위 논문에서는 무선 중계기 및 제한된 되먹임 통신 시스템에서 알고리즘을 제안하고 성능을 분석한다. 통신 시스템의 신뢰성과 용량을 크게 증가시킬 유망한 두 개의 기술로써, 다중 안테나 시스템과 양방향 중계기 시스템을 고려한다. 특히, 본 학위 논문의 첫 번째 파트에서는 MIMO 시스템의 실용성을 고려하여 선형 수신기의 복잡도를 갖는 MIMO 기법을 고려한다. 또한 되먹임을 수 비트 내로 제한한다. 가정한 제한들을 만족시키고 수신기의 복잡도를 효과적으로 낮추면서, 동시에 최우도 검파 기법의 성능에 가까운 성능을 얻기 위해, 격자 감소 기법 기반 프리코딩 기법을 고려한다. 제안하는 격자 감소 기법 기반 프리코딩 기법은 수신단이 채널 행렬 값 자체를 비롯한 모든 정보를 알고 있기 때문에, 송신단은 프리코딩 행렬의 정보의 일부만 알고 있어도 큰 손실이 없다는 점을 이용한다. 고려하는 격자 감소 기법에서 2진수 행렬의 정보만을 송신단이 필요로 하기 때문에, 필요한 되먹임을 크게 줄일 수 있다. 우리는 필요한 되먹임 비트 수를 더욱 줄이면서 주어진 어떠한 되먹임 비트 수에 대해서도 적용할 수 있는 격자 감소 기법 기반 프리코딩을 제시한다. 결과적으로, 제안하는 격자 감소 기법 기반 프리코딩은 필요한 되먹임의 비트 수와 성능사이에 좋은 타협점을 보여준다.
본 학위 논문의 두 번째 파트에서는, 계산량을 줄이고 용량을 증대시키기 위한 몇 가지 새로운 양방향 중계기 기법이 제안된다. 현재까지 알려진 양방향 중계기 방식에서, 위상 편이 변조 방식 (BPSK) 보다 높은 펄스 진폭 변조 방식 (PAM)에서는 격자 코드나 비이진 코드 (nonbinary code)의 사용이 요구된다. 하지만 이와같은 격자 코드나 비이진 코드는 계산량이 이진 코드에 비해 크게 증가한다는 단점이 있다. 또한 격자 코드는 알려진 몇 가지 이유로 실제 시스템에서는 쓰이기 어려운 점이 있다. 따라서 본 학위 논문에서 이진 코드를 전제로 하는 높은 차수의 펄스 진폭 변조 방식을 제안한다. 기존의 균등한 펄스 진폭 변조 방식을 이진 코드와 그대로 사용하면 검파시에 모호성이 존재함을 관찰하고, 이를 효과적으로 풀기 위한 변형된 펄스 진폭 변조 방식을 제안한다. 제안하는 펄스 진폭 변조 방식은 주어진 상황에서 용량을 최대화 시킨다. 또한 다중 안테나 양방향 중계기 시스템에서, 채널 행렬을 효율적으로 다루기 위한 두 가지 선형 프리코딩 방식을 제안한다. 두 가지 프리코딩 방식은 각각 채널 행렬을 대각화와 삼각형화 하여, XOR 기반 네트워크 코딩이 효율적으로 동작하게 한다. 본 학위 논문의 마지막 파트에서는, 여러개의 노드를 포함하는 시나리오를 고려한다. 신호-강요 전치 등화기 (zero-forcing pre-equalizer)의 사용을 전제로 할때, 용량을 최대화 하는 사용자 선택 방법을 제시한다.
