In this thesis, the joint optimization of a source and relay is proposed for multiple-input multiple-output (MIMO) two-way relay networks. In these networks, since the joint beamformer design problem based on the minimum mean-square-error (MMSE) is known to be non-convex, it cannot be solved analytically. In order to solve the problem, a novel iterative algorithm is proposed that uses duality relationships. First, the SINR and MSE duality for MIMO two-way relay networks are presented. The duality relationships are proved with two types of power constraints. And the result of the duality is extended to the two-way relay network with multiple pairs of nodes; then, these dualities are applied to the proposed optimization method, which provides closed-form solutions for all subproblems and does not require convex optimization software packages to optimize source and relay beamformers. The numerical results are provided in order to verify the performance, and it is demonstrated that the proposed method not only improves the MSE performance but also efficiently reduces the computational complexity compared with the conventional method.
본 연구에서는 양방향 중계기 시스템에서 각 노드들의 송수신기(transceiver) 를 공동으로 설계하는 새로운 방법을 제안한다. 여기서 말하는 송수신기는 발신기 1(source node 1)의 송신기(transmitter)와 수신기(receiver), 발신기 2 의 송신기와 수신기, 그리고 중계기의 빔형성기(relay beamformer) 를 모두 포함한다. 제안하는 방법에서는, 설계 문제를 세 가지의 부문제(sub-problem)으로 나누고 쌍대성(duality) 를 이용하여 각각의 문제를 닫힌형태의 해(closed-form solution)으로 구할 수 있게 된다.
그리고 다수의 발신기 쌍으로 이루어진 양방향 중계기 시스템에서 MSE 쌍대성을 이용하여 송수신기의 동시 설계 방법을 제안하였다. 앞의 방법과 비슷하게, 원 설계 문제를 세개의 부문제로 나누고 이를 설계하는 방법을 사용하였다. SINR 쌍대성과는 다르게 각각의 부문제들이 볼록하기(convex) 때문에, 제안하는 방법은 각 부문제에 대하여 최적임이 보장되고 항상 수렴성이 보장된다. 모의 실험 결과를 통해, 제안하는 설계 방법은 기존의 방법들에 비해 더 낮은 MSE를 더 적은 연산시간 안에 얻을 수 있음을 확인하였다. 따라서, 제안하는 송수신기 설계 방법은 별도의 볼록 최적화 도구를 사용하지 않고, 더 큰 성능향상을 낮은 복잡도로 얻을 수 있음을 알 수 있다.
