In this thesis, we study an energy efficient two-way amplify-and-forward (AF) relay network equipped with multiple antennas at both sources and relay. To minimize the transmit power while satisfying quality of service (QoS) of both sources, transmit beamformers and receive combiners are designed with ZF-based relay processing matrix. Due to the non-convexity of the optimization problem, the original problem is decomposed into two simpler optimization problems which can be solved through iteration algorithm. As an alternative, eigen-beamforming based technique is also provided to reduce the complexity of the iterative solution at the expense of the power usage. Numerical results show that the proposed solution efficiently reduces the additional power usage of the system compared to the eigen-beamforming based technique while meeting the QoS constraint of each source. Moreover, we can see the proposed algorithm converges to the steady-state value in a reasonable number of iterations.
최근 들어, 채널 용량을 증가시키고 서비스 가능한 셀의 운용 범위를 늘리기 위한 목적으로 릴레이 기반 통신이 많은 문헌에서 활발히 연구되고 있다. 릴레이 네트워크의 특정한 모델로써 두 개의 송수신기가 두 타임 슬롯 안에 데이터를 주고 받을 수 있도록 하는 two-way 릴레이 시스템이 있다. 특히 이 시스템에서는 구현 비용과 설계의 간편성 때문에 릴레이 단에서 Amplify-and-forward (AF) 방식의 전송 전략을 사용하는 연구가 많이 진행되어 있다.
Two-way AF 릴레이 시스템에서는 크게 두 가지 최적화 문제를 고려 할 수 있다. 첫 째는 송신 전력의 제약 조건 아래 통신 네트워크의 sum-rate를 최대화 하는 문제이고 두 번째는 송수신기가 안정적인 통신을 할 수 있도록 Quality-of-Service (QoS) 를 보장하면서 전체 네트워크에서 사용되는 송신 전력을 최소화하는 문제이다. Two-way AF 릴레이 시스템에서 Sum-rate 최대화 문제는 다양한 안테나 환경 설정에 따라서 많은 연구가 진행되어 있는 반면에 송신 전력 최소화 문제는 상대적으로 활발한 연구가 이루어지지 않은 상황이다.
본 논문에서는 상기한 두 번째 최적화에 관한 하나의 해결책으로 사용될 수 있는 송신 전력 측면에서 에너지 효율적인 two-way AF 릴레이 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜은 각각의 송수신기의 QoS를 보장하면서 네트워크 전체에 사용되는 송신 전력를 최소화하는 알고리즘이 사용되었다. 특히, 송수신기와 릴레이가 다중 안테나를 가지면서 빔포밍을 이용하여 하나의 데이터 스트림을 전송하는 방식에 초점이 맞추어져 연구되었다.
릴레이 네트워크의 전력을 효율적으로 줄이기 위하여 우리는 송신 빔포밍 (beamforming) 벡터와 수신 콤바이닝 (combining) 벡터를 설계하고 송수신 과정에서 발생하는 자기 신호 간섭을 릴레이 단에서 효과적으로 없애기 위해ZF 릴레이 processing 행렬을 사용하였다. 해를 찾는 과정에서는 문제의 non-convexity 특성으로 인한 복잡성을 해결하기 위하여 iteration 알고리즘을 사용하여 두 개의 간단한 최적화 문제로 나누어 해결하였다. 그리고 본 논문의 뒷 부분에서는 제안한 알고리즘의 복잡성에 관한 대안으로 eigen-beamforming 기반 기법을 소개하여 부가적인 전력 소비를 요하지만 비교적 간편히 구현 하여 낭비되는 전력 소비를 줄일 수 있도록 하였다. 시뮬레이션 결과로 송수신기의 QoS제한 조건아래 제안한 iterative송신 알고리즘의 전력 감소율이 eigen-beamforming 기반 기법보다 효과적임을 그래프로 제시하였고, 제안한 알고리즘이 적합한 iteration 안에 수렴하는 것을 보였다.
