In this dissertation, we consider the cooperative communications using user relays for various downlink channel models.
We first propose a user relaying scheme based on bit concatenation is proposed for multiple-input multiple-output (MIMO) broadcast channels. In a broadcasting phase, a part of information for a destination user is concatenated to data for a relaying user and transmitted to the relaying user. The destination user receives the part of information via the relaying user in a relaying phase in addition to the data in the
broadcasting phase. An achievable rate region for the proposed scheme is derived and an algorithm to characterize the boundary of the rate region is proposed. Our analysis shows that the proposed user relaying in a MIMO BC expands the achievable rate region for the zero-forcing dirty paper coding (ZF-DPC) in the MIMO BC without
relaying. It is also shown that the proposed user relaying scheme always outperforms a superposition coding (SC) based user relaying scheme. Optimal and suboptimal user pair scheduling algorithms are investigated for a two-user MIMO BC and the proposed suboptimal user pair scheduling scheme is shown to approach the optimal scheduling
when the relaying channel gain is large.
Second, We propose a cooperative user relaying scheme for a two-user multiple antenna downlink cellular system where each user has to receive a certain required amount of information. A user who successfully receives its required amount of information is supposed to help the other user in receiving its required amount of information through cooperative user relaying. For the proposed cooperative user relaying scheme, we jointly design linear beamformers at the base station (BS) over three transmission phases to minimize the total transmission time required for both users to receive their respective required amounts of information, which
turns out to be the approximate maximization of the sum throughput. In addition, considering a practical hybrid automatic repeat request (HARQ) protocol with user relaying, we modify the proposed scheme to minimize the required number of retransmissions. Our numerical results show that the proposed cooperative user relaying scheme achieves substantial gains over conventional transmission without
user relaying in terms of both average sum throughput and transmission failure probability.
Third, we propose a two-phase user relaying via device-to-device (D2D) communications for the multicast system where the source transmits common data with size B bits to
K users in the system. In a first phase, the source multicasts common data to K users and a subset of users, G1, successfully achieves B bits. Then, in a second phase, the users in G1 cooperatively relay the common data to the set of users who do not achieve B bits yet, G2, via D2D communications. For the proposed user relaying, we obtain the optimal groupings that minimizes the transmission time and consumed energy for multicasting with complexity O(K). Furthermore, when the available channel information is limited, the suboptimal groupings based on threshold feedback from users are proposed.
사용자 릴레이는 시스템 내의 사용자들간의 협력을 통해 다른 사용자들에게 부가적인 정보를 제공함으로써 보다 안정적이고 효율적으로 정보를 전달하는 기법이다. 사용자 릴레이를 이용한 협력 통신은 고정 릴레이나 기지국 간의 협력 통신과 같은 기존의 협력 통신이 갖는 여러 가지 제약 조건들을 극복하고, 전송 효율을 향상시키기 위한 기술로 제시되었다. 기존 연구 문헌들에서는 단일 안테나 송신단과 두 명의 사용자가 존재하는 간단한 환경에 대한 사용자 릴레이 기법이 주로 연구되었다. 본 논문에서는 다중 안테나 또는 다중 사용자 환경에서 효과적으로 사용자 릴레이를 통해 효과적으로 정보를 전달하는 세가지 협력 통신 기법에 대해서 살펴보도록 한다.
첫 번째로 다중안테나 브로드캐스트(broadcast) 채널 환경에서의 비트 연결(bit concatenation) 기반의 사용자 릴레이 기법을 제안하였다. 다중 안테나 송신단에서 비트연결 인코딩을 통해 사용자들에게 정보를 브로드캐스트하고, 릴레이 사용자는 이를 복원하여 보다 질 좋은 사용자간 채널을 통해 목적지 사용자에게 정보를 전달한다. 이와 같은 사용자 릴레이 기법을 통해 달성할 수 있는 전송율 영역(achievable rate region)을 수학적으로 유도하였고, 전송율 영역의 최 외각 영역을 달성하는 알고리즘(algorithm)을 제시하였다. 또한 유도된 전송율 영역을 통해 기존의 브로드캐스트 채널 환경의 전송율 영역을 사용자 릴레이를 통해 확장할 수 있음을 증명하였고, 제안한 사용자 릴레이 기법을 가장 효율적으로 사용할 수 있는 릴레이 사용자와 목적지 사용자의 스케줄링(scheduling) 기법을 제안하였다.
두 번째로 다중안테나 하향 링크 셀룰러 환경에서 사용자 릴레이를 이용한 효과적인 재전송 기법을 제안하였다. 제안된 사용자 릴레이 재전송 기법은 브로드캐스트, 리스 (listening), 그리고 협력(cooperation) 단계의 세 개의 단계로 이루어져 있으며, 브로드캐스트 단계에서 수신단은 사용자들에게 정보를 브로드캐스트하고, 리스닝 단계에서 먼저 정보 수신을 끝마친 사용자가 릴레이 사용자가 되어 다른 사용자의 정보를 듣게 된다. 마지막으로 다른 사용자의 정보까지 성공적으로 수신한 릴레이 사용자가 협력 단계에서 수신단과 함께 정보를 협력 전송한다. 이와 같은 세 단계로 이루어진 사용자 릴레이 재전송 기법을 가장 효과적으로 이용하기 위한 선형 빔형성(beamforming) 기법을 제안하였다. 사용자 릴레이 재전송 기법의 성능을 향상시키는 방법으로 재전송 기법에 소모되는 시간을 최소화하는 빔형성 기법을 설계하였고, 설계된 빔은 0과 1사이의 값을 가지는 3개의 실수로 간단하게 나타내 질 수 있음을 보였다.
마지막으로 송신단이 다수의 사용자들에게 공통 정보를 전송하는 다중 사용자 멀티캐스트(multicast) 환경에서 사용자들 간의 협력을 통한 정보 전송 기법을 제안하였다. 기존의 다중 사용자 멀티캐스트 환경에서는 특정 사용자의 채널 환경이 아주 좋지 않은 경우, 송신단에서 소모되는 전력 또는 시간이 매우 커지게 된다. 그러나 사용자 릴레이를 이용해 상대적으로 채널 환경이 좋은 사용자간 채널을 통해 정보를 전달하게 되면 송신단에서의 자원 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 따라서 다중 사용자들 간의 가상 다중안테나(virtual MIMO) 채널을 통해 정보를 전달하는 기법을 제안하였고, 통신에 소모되는 시간을 최소화하는 사용자 선택 기법과 소모되는 에너지(energy)를 최소화하는 사용자 선택 기법을 제안하였다. 또한 채널의 획득이 제한적인 환경에서 효과적으로 사용자를 선택하기 위한, threshold 기반의 피드백(feedback)을 이용한 사용자 선택 기법들을 제안하였고, 제안된 기법을 통해 멀티캐스트에 소모되는 자원을 크게 절약할 수 있음을 보였다.
