In this dissertation, we propose an optimal channel training method in the sense of linear minimum mean square error (LMMSE) for multiple-input multiple-output (MIMO) amplify-and-forward (AF) one-way and two-way relay systems in the presence of interference. In the environment where the interference signals are received from the adjacent cells, there is a need for channel estimation method which avoids such an interference signals and suppresses the influence of interference. Because of the characteristics of the multi-antenna system, the training signal for channel estimation is transmitted to several signal subspaces. However, in the conventional method, it is very difficult to select an optimal signal subspace in which influence of interference signals are minimized. In this paper, we propose a new channel estimation method that determines the optimal signal subspace and power allocation to minimize the influence of interference . In this dissertation, we consider three relaying protocols: one-way relaying protocol, multiple access broadcast (MABC) two-way relaying protocol, and time division broadcast (TDBC) two-way relaying protocol. We propose a channel training method that minimizes the LMMSE between the channel of the link and the channel estimated by each protocol.
Firstly, an one-way relaying is a protocol that a relay transmits a signal received from a source to a destination and is used in the one way relay system. In the one-way relay system with a direct path between the source and destination, the destination must consider both the signal received via the relay and the signal received directly from the source. The interference signals received in each phase and each path should be considered to design the training signal. Particularly, the interference signal received at the relay in the first transmission phase is amplified like the channel training signal and is received at the receiver in the second transmission phase. Therefore an appropriate interference suppression process is required. In Chapter 2 of this dissertation, we propose an optimal channel estimation method in this environment. Specifically, the relay precoding matrix was used to properly control the interference signal, and the channel estimation performance could be improved by allocating more power to the subspace having a good channel gain and a low interference signal power. We also propose a channel estimation method to reduce complexity and show that it is an optimal method for high signal-to-interference and noise ratio (SINR).
Secondly, MABC is a protocol in which a relay re-transmits a signal received from two users at the first transmission phase to two users at the next transmission time, and the two users simultaneously transmit signals through a relay without a direct path. In the MABC two-way relay system, two training signals transmitted from each user at the first transmission phase are received by each user at the second transmission phase, because two users exchange signals at the same time. Therefore, unlike the one-way system, there is interference between the transmission signals of two users. Therefore, it is necessary to appropriately control both the inter-user interference signal and the externally received interference signal. In Chapter 3 of this dissertation, we propose an optimal channel estimation method in this environment. Specifically, the relay precoding matrix was used to properly control the external interference signal, and the training signals of the two users were designed to have orthogonality so that the channel estimation performance could be improved, and we show that the orthogonal training signals is optimal. We also propose a channel estimation method to reduce complexity and show that it is an optimal method for high SINR.
Thirdly, TDBC is a protocol in which a relay re-transmits a signal received from one user at the first transmission phase and another user at the second transmission phase to two users at a third transmission phase. TDBC protocol is widely used for the two-way relay systems with direct path between two users. Similar to the MABC two-way relaying protocol, there are inter-user interference, because two users exchange each signal at the same time. The difference is that two users send and receive signals over the relay during three transmission phase, and there is a direct path between the users. Therefore, the number of received interference signals to be controlled increases, and a direct path channel as well as a channel passing through the relay must be estimated simultaneously. In Chapter 4 of this paper, we propose an optimal channel estimation method in this environment. Particularly, the TDBC two-way relaying protocol can use the two relay precoding matrices for the signals received at the first and second transmission times at the relay. Therefore, it is possible to appropriately control the external interference signals received during the three transmission phases. Also, the training signals of two users are designed to have orthogonality so that the channel estimation performance can be improved. Also, we show that the orthogonal training signals are optimal when the direct path channel is simultaneously estimated. We also propose a channel estimation method to reduce complexity and show that it is an optimal method for high SINR.
Simulation results demonstrate that the two proposed methods outperform the conventional training signal design methods in terms of mean square error (MSE), bit error rate (BER), and spectral efficiency.
본 논문에서는 인접한 셀의 사용자로부터 수신되는 간섭신호가 있는 환경에서, 다중안테나 단방향 및 양방향 중계기 시스템에서의 효과적인 채널추정방법에 대한 연구를 수행하였다. 기존 연구에서 많이 고려된 간섭이 없는 다중안테나 단방향 및 양방향 중계기 시스템 환경과는 달리, 외부로 부터 간섭신호가 수신되는 환경에서는 이러한 간섭신호를 회피하고 영향을 덜 받도록 하는 채널 추정 방법이 무엇보다 필요하다. 하지만 다중안테나 시스템 특성상 여러개의 신호공간으로 채널추정을 위한 트레이닝 신호를 전송하게 되는데, 기존에 제안된 방법으로는 간섭신호가 적게 들어오는 최적의 신호공간을 선택하기가 매우 어렵다. 본 논문에서는 트레이닝 신호가 전송되는 신호공간에 적은 간섭신호가 수신되도록 하고, 최적의 전력할당을 통해 간섭신호의 영향을 줄이는 새로운 채널추정 방법을 제안하였다. 본 논문에서 단방향중계 프로토콜, 양방향 다중접속중계 프로토콜, 양방향 시분할중계 프로토콜의 세 가지 중계기 프로토콜을 고려하였다. 각 프로토콜에서 추정하고자 하는 링크의 채널과 추정된 채널 사이의 선형 최소 평균자승오차를 최소화하는 채널트레이닝 방법을 제안하였다.
첫 번째로, 단방향중계 프로토콜은 중계기가 송신기로부터 수신한 신호를 수신기로 전송해 주는 프로토콜이며, 단방향 중계기 시스템에서 사용된다. 송수신기 사이에 직접경로가 있는 단방향 중계기 시스템에서 수신기는 중계기를 거쳐 수신되는 신호와, 송신기로부터 바로 수신되는 신호를 동시에 고려하여야 한다. 특히, 중계기에서 수신된 간섭신호가 채널 트레이닝 신호와 같이 증폭되어 수신기에 수신되기 때문에 수신기에서 수신되는 간섭신호와 함께 적절한 간섭제거과정이 필요하다. 본 논문의 2 장에서는 이러한 환경에서 최적의 채널추정방법을 제안했다. 구체적으로, 중계기에서 중계프리코딩 행렬을 사용하여 간섭신호를 적절히 제어하였으며, 더 많은 전력을 채널이득이 좋고 간섭신호전력이 낮은 부공간에 할당함으로써 채널추정 성능을 높힐 수 있었다. 복잡도를 줄이기 위한 채널추정방법또한 제안했으며, 높은 신호대 간섭 및 잡음비에서 최적의 방법임을 보였다.
두 번째로, 양방향 다중접속중계 프로토콜은 첫 번째 전송시간에 중계기가 동시에 두 사용자로부터 받은 신호를 다음 전송시간에 다시 두 사용자로 재 전송하는 프로토콜이며, 두 사용자가 직접경로 없이 동시에 중계기를 통해 신호를 주고받는 양방향 중계기 시스템에서 사용된다. 두 사용자가 동시에 신호를 교환하는 양방향 중계기 시스템에서는 첫번째 송신시간에 각 단말기에서 송신된 두 개의 트레이닝 신호가 두번째 송신시간에 각각의 사용자에게 수신된다. 따라서 단방향 중계기 시스템과 달리 사용자의 송신신호간 간섭이 존재하게 된다. 따라서 이러한 사용자간 간섭신호와 외부에서 수신되는 간섭신호 모두를 적절히 제어해야 한다. 본 논문의 3 장에서는 이러한 환경에서 최적의 채널추정방법을 제안했다. 구체적으로, 중계기에서 중계프리코딩 행렬을 사용하여 외부 간섭신호를 적절히 제어했고, 두 사용자의 트레이닝 신호가 직교성을 갖도록 설계하여 채널추정 성능을 높힐 수 있었으며, 직교성을 갖는 트레이닝 신호가 최적임을 보였다. 복잡도를 줄이기 위한 채널추정방법또한 제안했으며, 높은 신호대 간섭 및 잡음비에서 최적의 방법임을 보였다.
세 번째로, 양방향 시분할중계 프로토콜은 첫 번째 및 두 번째 전송시간에 중계기가 각각의 단말기로부터 받은 신호를 세 번째 전송시간에 다시 두 단말로 재 전송하는 프로토콜이며, 두 단말기간의 직접경로가 있고 동시에 중계기를 통해 신호를 주고받는 양방향 중계기 시스템에서 사용된다. 양방향 다중접속중계 프로토콜과 마찬가지로 양방향 시분할중계 프로토콜에서도 두 사용자가 신호를 주고 받기 때문에 사용자간 간섭신호가 존재한다. 차이점은 두 사용자가 총 세번의 전송시간에 걸쳐 중계기를 통해 신호를 주고 받고, 사용자간의 직접경로가 존재한다. 따라서 제어해야할 수신된 간섭신호가 많아지게되고, 중계기를 거치는 채널뿐만 아니라 직접경로채널도 동시에 추정해야한다. 본 논문의 4장에서는 이러한 환경에서 최적의 채널추정방법을 제안했다. 구체적으로, 양방향 시분할중계 프로토콜의 특성상 중계기에서 첫번째와 두번째 전송시간에 수신한 신호에 각각 중계프리코팅행렬을 사용할 수 있기 때문에, 이를 이용하여 세번의 전송시간동안 수신되는 외부 간섭신호를 적절히 제어할 수 있었다. 또한 두 사용자의 트레이닝 신호가 직교성을 갖도록 설계하여 채널추정 성능을 높힐 수 있었고, 직접경로채널을 동시에 추정하는 경우에도 이러한 직교성을 갖는 트레이닝 신호가 최적임을 보였다. 복잡도를 줄이기 위한 채널추정방법또한 제안했으며, 높은 신호대 간섭 및 잡음비에서 최적의 방법임을 보였다.
이렇게 제안된 채널추정 방법을 모의실험을 통해 성능을 검증하였으며, 그 결과 기존 방법들에 비해 채널추정의 평균제곱오차, 비트오류율 및 데이터 전송률 측면에서 상당한 성능향상이 있음을 확인할 수 있었다.