Relaying OSTBC Signals in Wireless Multi-Hop MIMO Systems

Abstract

다중안테나 노드들을 이용하는 무선 중계 시스템에서 공간 다중화 전송 기술을 이용한 중계 방식들이 최근 활발히 연구되고 있다. 그러나, 공간 다이버시티 기술을 이용하는 무선 중계 방식은 지금까지 거의 연구되지 않았다. 따라서, 다중안테나 기반의 무선 중계 시스템에서 공간 다이버시티 이득을 얻어 링크의 신뢰도를 향상시키는 직교 시공간 부호 전송을 이용한 중계 방식들을 제안하고, 그 중계 방식들에 대한 비트 오차율과 아웃티지(outage) 성능을 레일레이 페이딩 채널에서 평가한다. 또한, 중계노드가 없는 기존의 무선 통신 시스템과 링크레벨 성능을 비교하여 무선 중계 시스템의 정량적 이득을 알아본다. 첫째로, 듀얼 홉 중계 시스템에서 공간 다이버시티 이득을 얻기 위해 직교 시공간 부호 전송을 위한 합 후 전달(더한 신호를 증폭 후 전달)방식을 제안하고, 독립적인 레일레이 페이딩 채널을 가정하여 다양한 변조방식에 대한 정확한 비트 오차율 식들을 유도한다. 수치적 결과로부터, 합 후 전달방식에서 두 개의 안테나를 이용할 경우, 한 개의 안테나를 이용할 때보다 1% 비트 오차율에서 7dB 성능 개선을 확인할 수 있다. 그러나, 제안된 합 후 전달방식은 중계노드의 복잡성이 낮은 대신에 다중의 중계안테나로부터 공간 다이버시티 이득을 얻지 못하는 단점이 있다. 둘째로, 합 후 전달방식의 결점을 보완하기 위해 보강된 증폭 후 전달방식으로 디커플 후 전달(디커플된 신호를 직교 시공간 부호화하여 증폭 후 전달)방식을 제안한다. 수치적 결과로부터, 듀얼 홉의 디커플 후 전달방식에서 두 개의 안테나를 이용할 경우, 한 개의 안테나를 이용할 때보다 1% 비트 오차율에서 10.5dB 성능 개선을 확인 할 수 있다. 또한, 제안된 디커플 후 전달방식이 독립적인 레일레이 페이딩 채널에서 다중의 중계안테나로부터 공간 다이버시티 이득을 얻음을 확인 할 수 있다. 셋째로, 듀얼 홉 중계 시스템과 중계노드가 없는 기존의 무선 통신 시스템의 링크레벨 성능을 비교하여 듀얼 홉 중계 시스템의 정량적 이득을 제시한다. 고려된 세 가지 시스템들은 (1) 하나의 안테나만을 갖는 노드들을 이용하는 시스템과 (2) 직교 시공간 부호 전송을 이용하는 다중안테나 시스템, 그리고 (3) 제한된 피드백을 요구하는 송수신안테나 선택 기반의 다중안테나 시스템이다. 여기서, 직교 시공간 부호 전송을 위한 증폭 후 전달방식으로 디커플 후 전달방식을 이용한다. 듀얼 홉 중계 시스템의 수신 신호 대 잡음비의 이득을 정량화하기 위하여 그 신호 대 잡음비의 이득의 신뢰(confidence) 확률을 정의하고, 레일레이 페이딩 채널을 가정하여 그 신뢰 확률의 표현식을 세 가지 상이한 시스템들에 대하여 유도한다. 수치적 결과는 특정 신뢰 확률에서 듀얼 홉 중계 시스템들이 얻는 정량적인 신호 대 잡음비 이득을 보여준다. 또한, 기존의 무선 통신 시스템에 대한 듀얼 홉 중계 시스템의 이득이 열악한 통신환경과 중계노드 위치를 고려한 적절한 안테나 구성에서 더욱 증가함을 보여준다. 마지막으로, 송신안테나 선택 기술과 직교 시공간 부호 전송을 각각 이용하는 다중안테나 기반의 무선 다중 홉 시스템들에서 종단간 수신 신호 대 잡음비의 아웃티지 성능을 분석한다. 직교 시공간 부호 전송을 위한 증폭 후 전달방식으로 디커플 후 전달방식을 이용하고, 송신안테나 선택 기반의 두 시스템들에서 수신기들은 최대 비율 조합과 선택적 조합을 각각 이용한다. 각 중계 시스템들에 대한 신호 대 잡음비의 아웃티지 확률 식은 이상적인 중계 이득을 가정하여 근사적으로 구해진다. 그 근사적인 아웃티지 확률 성능은 실질적인 아웃티지 성능의 하한이며, 종단간 홉 수와 안테나 수가 적을 때 높은 평균 신호 대 잡음비에서 그 하한은 실질적인 아웃티지 성능에 아주 근접한다. 수치적 결과로부터, 다중 홉 중계 시스템에서 두 개의 안테나를 이용할 경우, 한 개의 안테나를 이용할 때보다 1% 아웃티지 확률에서 17dB 성능 향상을 확인할 수 있고, 안테나 개수의 증가가 다중 홉 중계 시스템의 아웃티지 성능을 더욱 향상시킴을 확인할 수 있다. 결론적으로, 직교 시공간 부호 신호의 중계 기술은 다중안테나 기반의 무선 중계 시스템에서 공간 다이버시티 이득을 제공하여 소비전력을 절약하고 종단간 원활한 통신을 위해 요구되는 중계노드 개수를 감소시킨다.; Most of the past researches on wireless multiple-input multiple-output (MIMO) relaying systems concentrated on spatial multiplexing transmission to improve spectral efficiency. Thus, MIMO relaying for the use of spatial diversity has not yet been well studied. Thus, to improve the link reliability through a spatial-diversity gain in wireless MIMO relaying systems, relaying schemes for orthogonal space-time block code (OSTBC) transmission are proposed, and their bit error rate (BER) and outage performance over Rayleigh fading channels are evaluated. The end-to-end signal-to-noise ratio (SNR) gain of dual-hop systems over single-hop systems is also investigated. First, sum-and-forward (sum, amplify, and forward) relaying for OSTBC transmission is proposed to achieve a spatial-diversity gain in dual-hop systems, and the exact expressions of the end-to-end BER for various modulation schemes over uncorrelated Rayleigh fading channels are derived. The numerical results show that sum-and-forward relaying with two-antenna nodes offers a 7 dB gain at 1% BER, compared with the dual-hop single-input single-output (SISO) transmission. The proposed sum-and-forward relaying method, however, cannot achieve a spatial-diversity gain of multiple relaying antennas instead of making a relay very simple. Second, decouple-and-forward (decouple, encode with OSTBCs, amplify, and forward) relaying is proposed as an enhanced amplify-and-forward relaying method to overcome the drawback of sum-and-forward relaying. The numerical results show that dual-hop decouple-and-forward relaying with two-antenna nodes achieves a 10.5 dB gain at 1% BER, compared with the dual-hop SISO transmission. The results also show that decouple-and-forward relaying attains a spatial-diversity gain offered by a multiple-antenna relay over uncorrelated Rayleigh fading channels. Third, the end-to-end SNR gain of dual-hop systems over single-hop systems is investigated. Three different dual-hop systems are considered, as follows: SISO, OSTBC (without feedback), and antenna selection (with limited feedback). For dual-hop OSTBC transmission, decouple-and-forward relaying is used. The confidence probability of the achievable SNR gain for dual-hop systems over single-hop systems is defined, and its closed-form expressions for Rayleigh fading channels are provided. The numerical results show that SNR gains are achieved by the various dual-hop systems at the specific confidence probability. The results also demonstrate that the efficiency of dual-hop relaying increases in poor communication environments, and that an appropriate antenna configuration based on the relay's location further enhances the efficiency of dual-hop relaying. Finally, the outage probability of wireless multi-hop systems with MIMO based on OSTBC transmission and transmit antenna selection (TxAS), respectively, is studied. For a nonregenerative system (NS) using OSTBCs, decouple-and-forward relaying is employed. In NSs with TxAS, maximal-ratio combining and selective combining are employed, respectively, at the receiver, to receive diversity. For the multi-hop MIMO relaying systems, closed-form outage probability approximations are provided if an ideal gain is used. Otherwise, they serve as lower bounds. The multi-hop NSs with two-antenna nodes achieve a 17 dB gain at 1% outage probability over the multi-hop NS with SISO, and the gain increases with the number of antennas. In conclusion, relaying OSTBC signals achieves a spatial-diversity gain from the multiple antennas at each node, and thus provides a power-saving effect or a reduction in the number of relays required for available communications.