In this thesis, we consider three kinds of relay communication systems. The first system is multiple relay networks with a single antenna node. In this system, there exists only a single source-destination pair and the single stream is transmitted to a destination. Most of the existing scheme use additional information
bit for relay coordination in order to obtain spatial diversity gain. To overcome this difficulty, we proposed a new diversity scheme which does not require additional information for coordination. The proposed scheme uses the property of cyclic delay diversity code and obtains full diversity gain in the OFDM systems.
The second system is uplink and downlink MIMO relay systems, in which there exist a single MIMO relay node, multiple (or a single) MIMO source nodes, and a single (or multiple) MIMO destination node. We proposed a minimum mean square error (MMSE) based sub-optimal source-relay-destination joint design scheme for uplink MIMO relay system and designed downlink MIMO relay system by using a duality of uplink and downlink relay systems. Although the proposed source and relay pre-coders are derived in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime, the performance of the proposed scheme shows better MSE performance than that of conventional MMSE-based relaying schemes, even in the low $SNR$ region.
Lastly, the third system is multiple MIMO relay systems. In this system, there exist multiple MIMO source-destination pairs and multiple MIMO relay nodes.
We proposed a source-relay-destination joint design scheme, which iteratively finds local optimum point of a MSE function. The proposed algorithm always converges on a fixed point because the sum MSE is decreased at each iteration. When the number of antenna at each relay node is smaller than the number of transmitted data streams, the performance gap between the proposed scheme and other scheme is very large.
송신단과 수신단의 채널 감쇄나 간섭으로 인하여 신호 전송이 어려울 경우, 중계기를 통하여 신호를 증폭함으로써 통신의 질을 향상 시킬 수 있다. 본 논문에서는 이와 같이 중계기를 이용하는 전송기법에 관하여 연구를 하였으며, 고려한 시스템은 크게 세가지로 나뉠 수 있다.
먼저, 네트워크에 존재하는 모든 노드가 하나의 안테만을 가지며, 하나의 송수신단이 여러 개의 중계기를 통하여 신호를 전송하는 시스템에서 전송 기법을 연구 하였다. 이러한 시스템에서는 단위 시간당 하나의 데이터만을 전송할 수 있기 때문에 공간 다양성 이득을 얻는 것이 그 목적이라 할 수 있다. 일반적으로, 공간 다양성 이득을 얻기 위해서는 중계기들 간의 협동이 필요하며 이를 위한 별도의
정보를 전송해 주어야 한다. 본 연구에서는 순환 지연 부호를 이용하여 송신단의 신호를 중계하는 기법을 제안하였으며, 제안한 기법에서는 중계기들 간의 협동을 위한 추가적인 정보를 필요로 하지 않는다.
다음으로, 네트워크에 존재하는 모든 노드들이 여러 안테나를 가지는 상향 링크 (uplink) 및 하향 링크 (downlink) 시스템에서의 중계기법을 연구하였다. 상향 링크 시스템에서는 신호대잡음비가 높은 환경을 바탕으로 하여 시스템의 평균자승오차의 점근식을 얻고 이를 최소화하는 준 최적 중계 시스템을 설계하였다. 그리고, 하향 링크에서는 상향 링크와 하향 링크 시스템의 상대성을 이용하여 같은 신호대간섭잡음비를 가지는 시스템을 제안하였다. 제안한 시스템은 높은 신호대잡음비 환경에서 얻어졌음에도 불구하고 낮은 신호대잡음비 영역에서도 기존 연구 결과와 비교해 좋은 성능을 나타낸다.
마지막으로, 네트워크에 존재하는 모든 노드들이 여러 안테나를 가지며, 중계기 및 송수신단도 여러 개가 존재하는 통신 네트워크에서 전송 기법을 제안하였다.
이와 같은 환경에서는 많은 연구 결과가 존재하나, 송수신단과 중계기를 동시에 설계하는 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 상향 링크와 하향 링크의 상대성을 이용하여 평균자승오차를 최소화하는 반복 알고리즘을 제안하였다. 이러한 시스템에서의 평균자승오차 함수는 볼록 (convex) 함수가 아니므로, 제안한 기법은 국소최적점에 수렴하게 되나, 기존 기법들에 비해 더 나은 성능을 보인다.
본 연구에서 제안된 기법들은 모의 실험을 통하여 그 성능을 검증 하였다. 여러 안테나를 가지는 중계 통신시스템에서는 각 노드들이 순간적인 채널 정보를
알고 있다고 가정을 하였으나, 채널의 분산 또는 평균과 같이 부분적인 정보만을 알고 있는 상황에서도 쉽게 적용 될 수 있다.
