In this dissertation, resource allocation schemes for two-way cooperative relaying systems were studied in a three-node scenario consisting of a base station, a near user having better channel quality, and a far user who cannot communicate with the base station directly.
The first study deals with half-duplex based two-way cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) system inspired by straightforward network coding. As the advent of power domain NOMA, cooperative NOMA systems, in which near user communicate with a base station, while simultaneously support the far user transmission, have been studied recently. To enhance spectral efficiency, we intro-duce a two-way cooperative NOMA system which can support two users’ bidirectional communications during three phases. The closed form expression of outage probability is derived and validated by Monte Carlo simulation. Also, an optimal joint power and time allocation algorithm is provided to minimize system outage probability. Performance evaluation shows that the proposed joint power and time al-location algorithm can enhance outage performance significantly compared with both fixed power and equal time allocation and optimal power and equal time allocation. Moreover, the proposed two-way cooperative NOMA scheme has superior system outage performance rather than conventional one-way relay based cooperative NOMA scheme adopting optimal power and time allocation, regardless of users’ positions and target rates. Also, it is shown that the proposed scheme improves the near user’s energy efficiency over the conventional scheme by reducing the number of relay transmissions. It is worth noting that the proposed two-way cooperative NOMA scheme and resource allocation algorithm can enhance outage performance and users’ energy efficiency over conventional scheme without additional successive interference cancellation process or synchronization process.
In the second study, an in-band full-duplex based two-way cooperative relaying system is proposed to further improve spectral efficiency. Considering residual self-interference and asymmetric uplink-downlink traffic requirements, we propose an opportunistic power allocation algorithm with dynamical switching relay mode to enhance uplink reliability and downlink rate. To evaluate system performance, we provide performance comparison with conventional in-band full-duplex based one-way cooperative NOMA scheme. The exact analysis on outage probability and ergodic rate for each signal was derived and verified by Monte Carlo simulation. Results show that the proposed scheme guarantee uplink outage probability gain over conventional scheme regardless of residual self-interference and user’s target rates. Also, it is shown that the proposed scheme can enhance downlink ergodic rate than conventional scheme by removing downlink power sharing between two users’ downlink signals.
본 학위 논문에서는 기지국과 통신하고 있는 우수한 품질의 채널을 가진 협력 단말을 이용하여 기지국과 직접통신이 어려운 단말의 통신을 지원하는 두가지 협력 통신 시스템에 대해 연구한다.
첫번째 연구에서는 반이중 전송 방식을 기반으로 한 양방향 NOMA (non-orthogonal multiple access) 협력 통신 시스템을 제안한다. 최근 전력 도메인에서의 다중 접속 기법인 NOMA가 등장함에 따라 채널 품질이 좋은 협력 단말이 기지국과 직접적인 통신이 어려운 단말의 전송을 중계해 줌과 동시에, NOMA의 특성을 활용하여 자신의 신호를 송수신하는 NOMA기반의 협력 통신이 각광받고 있다. 본 논문에서는 기존에 연구된 단방향 NOMA 협력 통신 시스템 대비 스펙트럼 효율 및 단말의 에너지 효율을 높일 수 있는 3단계로 동작하는 양방향 NOMA 협력 통신 시스템을 제안하고 전송 실패 확률을 분석한다. 또한, 전송 실패 확률을 최소화 하기 위한 전력 및 시간 할당 최적화 알고리즘을 제안한다. 제안한 전력 및 시간 할당 알고리즘을 적용하는 경우 단말의 위치나 목표 데이터 속도와 관계없이 기존의 단방향 NOMA 협력 통신 시스템 대비 항상 낮은 전송 실패 확률을 가짐을 보였으며, 단말의 에너지 효율 측면에서 10\% 이상의 이득을 얻을 수 있음을 보였다.
두번째 연구에서는 전이중 전송 방식 기반의 양방향 협력 통신 시스템을 제안한다. 전이중 전송은 기존 반이중 전송 대비 최대 2배의 스펙트럼 효율을 얻을 수 있으며 저지연 서비스를 제공할 수 있다. 따라서, 전이중 전송 방식 기반의 단방향 NOMA 협력 통신 연구가 활발이 진행되어왔으나, 하향링크와 상향링크의 트래픽 비대칭성을 고려할 때 동방향 전송간 전력 공유로 인한 성능 저하가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 반면, 제안하는 전이중 전송 기반의 양방향 협력 통신 시스템은 첫번째 단계에서 협력 단말이 자신의 상향링크 신호를 송신하면서 채널이 좋지 않은 단말의 신호를 수신하고, 두번째 단계에서 기지국으로부터 하향링크 신호를 수신하면서 다른 단말의 양방향 신호를 중계해준다. 제안하는 시스템은 동방향 전송간 전력 공유를 하지않지만, 전력 할당을 하지 않는 경우 자기 간섭 (SI, self-interference)으로 인한 심각한 성능 저하가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 자기 간섭과 트래픽 비대칭성을 고려한 기회적 전력 할당 기법을 제안한다. 제안된 전력 할당 기법을 적용한 전이중 전송 기반의 양방향 협력 통신 시스템의 전송 실패 확률과 평균 데이터 속도를 수학적으로 유도하였으며, 기존 전이중 전송 기반의 단방향 NOMA 협력 통신과의 성능을 비교하였다. 제안한 시스템은 기존 시스템 대비 낮은 상향링크 전송 실패 확률과 하향링크 평균 데이터 속도 이득을 얻을 수 있음을 보였다.
