In this dissertation, we study the channel estimation and training design for MIMO two-way multi-relay systems under various fading environments including flat fading, frequency-selective fading and time-selective fading. Unlike the single-relay scenario investigated in most existing studies, a severe problem in the multi-relay scenario is that the inter-link interference among the training/pilot sequences is present, which significantly degrades the channel estimation quality. For this reason, a critical issue in channel estimation for multi-relay systems is to resolve the inter-link interference issue. Unfortunately, unlike the other types of interference such as the inter-antenna and inter-source interferences, the inter-link interference is very difficult to eliminate, because it is physically not feasible to assign orthogonal sequences over different relay links owing to the transmission mechanism of multicasting, and then, forwarding. In this dissertation, we propose novel training schemes to solve the challenging inter-link interference problem utilizing the degrees of freedom offered by multiple relay nodes.
The main focus of this dissertation is to estimate the channel state information (CSI) of bidirectional links, which is essential for self-interference cancellation and data detection. We adopt the linear minimum mean square error (LMMSE) criterion for channel estimation. We resolve the interference issue as well as improve the quality of the channel estimates by minimizing the total mean square error (MSE) of the LMMSE estimator under the transmit power constraints at two source nodes and multiple relays.
Firstly, we address the problems of channel estimation and training design for flat fading MIMO-two-way relay systems. To solve the inter-link interference problem, we propose to apply the precoding technique at each relay. The optimal form of training signals and precoding matrices is presented in the sense of removing the inter-link interference as well as minimizing the total MSE. Using the proposed structure, we convert the optimal training design problem into a tractable convex form, from which the optimal training sequences are designed efficiently. For ease of practical implementation and complexity reduction, a low-complexity training scheme is also developed in closed-form. This scheme is shown to be asymptotically optimal in the high signal-to-noise (SNR) regime and gives useful insights into the optimal training design.
Secondly, we investigate the problems of channel estimation and pilot design for MIMO-two-way relay systems in frequency-selective fading environments. To solve the inter-link interference problem, we propose to apply the phase rotation technique at each relay. The optimal form of pilot signals, phase rotations and pilot placement is derived in the sense that the inter-link interference is completely removed as well as the total MSE is minimized. Using this form, we convert the optimal pilot design problem into a tractable convex form, from which the optimal pilot sequences are designed efficiently. For an important special scenario, the optimal pilot design is presented in semi-closed form with a lower complexity, which provides us useful insights. For ease of practical implementation and complexity reduction, a low-complexity pilot design is also proposed in closed-form. This scheme is shown to be asymptotically optimal in the high signal-to-noise (SNR) regime and gives further insights into the optimal pilot design.
Thirdly, we consider the problems of channel estimation and pilot design in time-selective fading environments. To solve the inter-link interference problem, we propose to apply the phase rotation technique at each relay. The optimal form of pilot signals, phase rotations and pilot placement is presented in the sense that the inter-link interference is completely eliminated as well as the total MSE is minimized. Using this form, we recast the optimal pilot design problem as a tractable convex form, from which the optimal pilot sequences is designed efficiently. For ease of practical implementation and complexity reduction, a low complexity pilot design is also proposed in closed-form. This method is shown to be asymptotically optimal in the high SNR regime and provides useful insights into the optimal pilot design.
The performance of the proposed schemes is evaluated through simulations. Numerical results show that under various fading scenarios, the proposed schemes significantly improve the performance of channel estimation and data transmission compared to the existing methods.
Finally, we discuss several practical issues related to the implementation of the proposed schemes, such as the spatial correlation estimation, the individual channel estimation, the feedback and the relay selection problem.
본 논문에서는 비선택적 페이딩, 주파수 선택적 페이딩 및 시간 선택적 채널을 포함한 다양한 채널 환경을 고려하여 다중안테나 양방향 다중중계기 시스템에서의 채널 추정 및 트레이닝 설계에 대한 연구를 수행하였다. 기존 연구에서 많이 고려된 단일중계기 환경과는 달리 다중중계기 환경에서 채널 추정에 있어서 가장 큰 문제점은 링크 간 간섭이 발생하며 이는 채널 추정 성능을 상당히 저하 시킨다. 따라서, 다중중계기 시스템에서 정확한 채널 추정을 하기 위해서는 랑크 간 간섭 문제를 해결하는 것이 가장 핵심이다. 하지만, 멀티캐스팅 후 전달하는 전송 방식으로 인해 직교하는 트레이닝 및 파일럿 신호들을 여러 링크간에 할당하는 것이 불가능하므로 기존에서 고려된 안테나 간 간섭 및 정보원 간 간섭과는 달리 링크 간 간섭은 제거하기가 매우 어렵다. 본 논문에서는 여러 중계기들의 자유도를 활용하여 링크 간 간섭을 제거할 수 있는 새로운 트레이닝 방법을 제안하였다.
자기 간섭 신호 제거 및 정보 검출에 필요한 양방향 링크의 채널정보를 선형 최소 평균자승오차 기준을 기반으로하여 추정하였다. 두 정보원과 여러 중계기에서의 전력 제한 하에서 선형 추정기의 총 평균자승오차를 최소화하는 방법을 통해 링크 간 간섭 문제를 풀고 채널 추정의 정확도 또한 높이는 방식을 고려하였다.
첫번째로는 비선택적 페이딩 환경의 다중안테나 양방향 다중중계기 시스템에서 채널 추정 및 트레이닝 신호 설계 문제를 다루었다. 링크 간 간섭 문제를 해결하기 위해 각 중계기마다 사전 부호화기를 사용하는 방법을 제안하였다. 링크 간 간섭을 제거하며 총 평균자승오차 또한 최소로하는 트레이닝 신호 및 사전 부호화기의 구조를 설계하였다. 제안한 구조를 사용해 최적의 트레이닝 설계 문제는 다루기 쉬운 볼록 최적화 문제의 형태로 변형이 가능했으며 이로부터 최적의 트레이닝 신호를 효율적으로 설계하였다. 실제 구현을 더 간단히 하고 복잡도를 줄이기 위해 저복잡도의 트레이닝 기법을 간단한 형태로 제안하였고 높은 신호대잡음비 영역에서 최적임을 보였다.
두번째로는 주파수 선택적 페이딩 환경의 다중안테나 양방향 다중중계기 시스템에서 채널 추정 및 파일럿 신호 설계를 연구하였다. 링크 간 간섭 문제를 해결하기 위해 각 중계기마다 위상 변이를 이용하는 방식을 제안하였다. 링크 간 간섭을 제거하며 총 평균자승오차 또한 최소가되도록 파일럿 신호 구조 및 위상 변이 및 파일럿 배치에 대한 해를 얻었다. 제안한 형태를 사용해 최적의 트레이닝 설계 문제가 다루기 쉬운 볼록 최적화 문제로 바뀌었고 이로부터 최적의 파일럿 신호를 효율적으로 설계하였다. 중요한 특정 상황에서, 최적 트레이닝 신호를 준 닫힌 형식으로 얻었고 보다 적은 계상량으로 설계가 가능했다. 실제 구현을 간단히 하고 복잡도를 줄이기 위해 저복잡도의 트레이닝 기법을 간단한 형태로 제안하였고 높은 신호대잡음비 영역에서 최적임을 보였다.
세번째로는 시간 선택적 페이딩 환경의 다중안테나 양방향 다중중계기 시스템에서 채널 추정 및 파일럿 신호 설계 문제를 고려하였다. 링크 간 간섭 문제를 해결하는 방안으로 각 중계기마다 위상 변이를 사용하는 방식을 제안하였다. 파일럿 신호 구조 및 위상 변이 및 파일럿 배치에 대한 해를 링크 간 간섭을 제거하며 총 평균자승오차 또한 최소가되도록 얻었다. 제안한 해를 이용해 최적의 파일럿 설계 문제는 다루기 쉬운 볼록 최적화 문제로 변형이 가능했고 이로부터 최적의 파일럿 신호를 효율적으로 설계하였다. 실제 구현을 간단히 하고 복잡도를 줄이기 위해 저복잡도의 파일럿 신호 설계 방법을 간단한 형태로 제안하였고 높은 신호대잡음비 영역에서 최적임을 보였다.
모의 실험을 통해 제안한 방식의 성능을 검증하였으며 그 결과 기존 방법들에 비해 채널추정 및 데이터 전송 측면에서 상당한 성능 향상이 있음을 확인 할 수 있었다.
마지막으로 공간 상관 추정, 개별 링크 채널 추정, 피드백 및 중계기 선택 문제와 같은 제안한 방법의 실질적 구현과 관련된 문제들을 논하였다.
