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Training signal design and training-data power allocation in MIMO two-way relay systems = 양방향 중계기 시스템에서 트레이닝 신호 설계 및 트레이닝-데이터 전력 할당
서명 / 저자 Training signal design and training-data power allocation in MIMO two-way relay systems = 양방향 중계기 시스템에서 트레이닝 신호 설계 및 트레이닝-데이터 전력 할당 / Dae-Hyun Kim.
저자명 Kim, Dae-Hyun ; 김대현
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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초록정보

Many works on wireless communications have assumed that perfect channel state information is available at terminals. In practice, the channels should be estimated and a popular approach is the training based channel estimation method, where a known training signal is transmitted. The training signal should be transmitted in every symbol block, where the data and training signals coexist. There are several training methods depending on the arrangement of the training and data signals such as time-multiplexed, embedded, and superimposed training methods. These methods can be selectively applied in accordance with the relay deployment scenarios. In this dissertation, we consider the MIMO two-way relay systems, where the relay system consists of two sources and one relay, and each terminal is equipped with multiple antennas. The training signals for various methods are designed based on the linear minimum mean square error channel estimate and the training-data power allocation algorithms are proposed. In the time-multiplexed training method, the dedicated training and data signals are separated by time. Given that a mean square error (MSE) of the channel estimate exists at each source, we minimize the sum of the two MSEs. In particular, we first derive a linear minimum MSE channel estimator with an arbitrary training signal. Second, we formulate the training signal design problem to minimize the sum of the two MSEs. Finally, we present an optimal training signal and a suboptimal training signal is obtained in a closed form. The simulation results show that the proposed time-multiplexed training signal has better MSE performance than the conventional training signals and the MSE performance of the closed-form training signal is almost the same as that of the optimal training signal. In the embedded training method, the training signal is arithmetically added into the data signal and the added symbol is transmitted in each symbol block. Since the data symbols are transmitted in every symbol time, the transmission efficiency can be increased when the symbol block length is short. We design an optimal and a closed form embedded training signal to minimize the sum of two MSEs. In addition, a training-data power allocation scheme is proposed to maximize a lower bound of capacity. The simulation results show that the proposed embedded training signal has better MSE performance than the conventional training signals and the embedded training method achieves higher sum rate than the time-multiplexed training method when the symbol block length is short. In the superimposed training method, the training and data signals are transmitted simultaneously on orthogonal subspaces and each subspace has constant power. The constant transmission power becomes an advantage for a system with a transmission power limit. We design a superimposed training signal, an affine precoder, and decoupling matrices to minimize the sum of two MSEs. In addition, a training-data power allocation scheme is proposed to maximize the lower bound of capacity. The simulation results show that the proposed superimposed training signal has higher channel estimate accuracy than the conventional training signals and the proposed power allocation scheme enables to achieve higher sum rate than the time-multiplexed training method when the transmission power of each symbol time is constant.

본 논문에서는 다중안테나 양방향 중계기 시스템에서 트레이닝 신호(training signal)를 설계하고 트레이닝 신호와 데이터 신호 사이의 전력을 할당하는 연구를 수행하였다. 트레이닝 신호 설계에 관한 기존 연구는 대부분 중계기가 없는 상황에서 이루어졌다. 양방향 중계기 시스템에서는 2개의 소스 노드(source node)가 존재하는데, 각 소스 노드의 트레이닝 신호가 다른 소스 노드 뿐 아니라 스스로에게도 영향을 미치기 때문에 각 소스에 기존 연구를 적용할 경우 그 결과는 더 이상 최적이 아니다. 그러므로 두 소스 노드를 고려하여 트레이닝 신호를 설계할 필요가 있다. 트레이닝 방법은 한 심볼 블록(symbol block)에서 트레이닝과 데이터 신호의 배열에 따라 시간다중화(time-multiplexed), 중첩(superimposed), 삽입(embedded) 트레이닝 방법들로 나누어질 수 있다. 각 트레이닝 방법들은 LTE-Advanced에서 논의된 중계기 설치 시나리오에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 다중안테나 양방향 중계기 시스템을 고려한다. 각 트레이닝 방법에 대해 선형 최소 평균 제곱 최소화되도록 트레이닝 신호를 설계하고 트레이닝-데이터 신호간의 전력 할당을 위한 알고리즘을 제안한다. 첫째, 시간 다중화(time-multiplexed) 트레이닝 방법은 구현이 간단하고 널리 알려진 방법으로 고정 중계기를 사용하고 전송 전력 제한 조건이 없는 경우 사용 가능하다. 이 방법에서 두 소스의 평균 자승 오차의 합을 최소화하도록 트레이닝 신호를 설계하였다. 최적의 해와 부최적 닫힌해(closed form solution)를 얻었으며 모의 실험을 통해 기존 연구에 비해 채널 추정 정확도가 크게 향상되며 제안된 단힌해의 채널 추정 성능이 최적해에 매우 근접함을 확인하였다. 둘째, 삽입(embedded) 트레이닝 방법은 이동 중계기를 가진 시스템에서 유용하게 사용될 수 있다. 이동 중인 중계기는 심볼 전송 블록의 길이가 짧아지게 되는데 이때 시간 다중화 트레이닝 방법은 트레이닝 신호를 보내기 위한 전용 구간이 필요하므로 전송 효율성이 매우 떨어진다. 삽입 트레이닝 방법은 데이터 신호와 트레이닝 신호를 더해서 보내기 때문에 매 심볼 타임에 데이터 심볼을 전송할 수 있어 심볼 블록 길이가 짧을 때 효율성이 높다. 최소 자승 오차 최소화 관점에서 트레이닝 신호를 설계하고 데이터 전송률의 하계(lower bound)를 최대화 하도록 트레이닝-데이터 신호의 전력할당 방법을 제안하였다. 모의 실험을 통해 설계된 트레이닝 신호가 기존 트레이닝 신호들보다 정확한 채널 추정할 수 있음을 확인하였으며 이동 속도가 빠를 수록 시간 다중화 트레이닝 방법에 비해 큰 합전송률을 얻을 수 있었다. 셋째, 중첩(superimposed) 트레이닝 방법은 항상 일정한 전송파워로 송신할 수 있기 때문에 주변에 간섭신호를 미치지 않아야 하는 핫스팟(hot spot) 중계기 설치 시나리오에 적용하기에 알맞은 방법이다. 이 방법에서는 트레이닝 신호와 데이터 신호를 서로 직교 부공간(subspace)에 전송하도록 하기 위해 트레이닝 신호 외에도 사전부호화기(affine precoder)와 분해 행렬(decoupling matrix)를 함께 설계하였다. 또한 데이터 전송율의 하계를 최대화 하도록 트레이닝-데이터 신호의 전력 할당 방법을 제안하였다. 모의 실험을 통해 설계된 트레이닝 신호가 기존 트레이닝 신호들보다 정확한 채널 추정할 수 있음을 확인하였으며 핫스팟 시나리오에서 기존 트레이닝 시호 및 시간 다중화 트레이닝 방법에 비해 향상된 데이터 전송률을 얻을 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 13058
형태사항 vii, 63 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김대현
지도교수의 영문표기 : Hyung-Myung Kim
지도교수의 한글표기 : 김형명
수록잡지명 : "Optimal Training Signal Design for Estimation of Correlated MIMO Channels in Two-Way Amplify-and-Forward Relay Systems". IEEE Communications Letters, v17.no.3, pp.491-494(2013)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학과,
서지주기 References : p. 50-54
주제 channel estimate
embedded training
mean square error (MSE)
multiple-input multiple-output (MIMO)
superimposed training
time-multiplexed training
training signal design
two-way relaying
training-data power allocation
양방향 중계기
다중안테나
채널 추정
트레이닝 신호 설계
트레이닝-데이터 전력할당
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