국소 채널상태정보 기반 2-셀 양방향 중계 기법

김영준, 장종규, 양현종

울산과학기술원, 울산과학기술원, 울산과학기술원

Kimyj783@unist.ac.kr, whdrb3137@unist.ac.kr, hjyang@unist.ac.kr

Two-cell Two-way Relaying Systems with Local CSI

Kim Yeong Jun, Jong Gyu Jang, Hyun Jong Yang

UNIST, UNIST, UNIST

요 약

양방향 중계 기법의 핵심적인 문제는 이웃한 셀의 기지국이 전송한 신호가 기지국과 유저 사이의 파워

차이로 인해 릴레이에 수신되는 유저의 신호와 비슷하게 들어가 업링크 신호가 오염되는 것이다. 본 논문에서는 국소

채널 상태 정보를 이용한 릴레이 전송파워의 조정을 통해 2-셀 양방향 중계 기법의 셀간 간섭문제를 해결하는 것을

목표로 한다. 각 릴레이에서 전송파워에 필요한 상수들을 구하는 최적화 문제는 각 장치들의 위치 정보를 이용해 미리

계산될 수 있다. 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 기존의 통신 방법보다 좋은 결과를 가진다는 것을 보여준다.

Ⅰ. 서 론

양방향 중계 기법은 일반 중계 기법에 비해 릴레이를

통한 통신에 필요한 시간과 주파수 자원을 효율적으로

쓸 수 있는 가능성을 가지고 있다[1]. 그런데 다중셀

환경에서 이웃한 셀의 기지국이 전송한 신호가 유저의

업링크 신호를 망치는 것은 양방향 중계 기법의

핵심적인 문제로 알려져 있다[2].

다중셀 환경에서 양방향 중계 기법을 수용하기 위해서

간섭을 정돈하는 개념이 나와있고[3] 이것을 다수의

세트에 작용하도록 연장한 개념도 나와있다[4]. 또한

간섭이 있는 환경에서 릴레이의 파워를 조정해 sum-

rate 를 최적화 하는 연구도 있다[5].

하지만, 이러한 기존의 연구들은 일반적으로 완전한

채널정보를 필요로 하고 릴레이에 여러 개의 안테나를

부착하는 것을 가정하고 있다. 또한 여러 개의 기지국과

유저에 하나의 릴레이가 사용되는 구조를 연구하는

경우도 많다.

본 논문에서는 국소 채널정보를 이용해 간섭을 줄인

2-셀 양방향 중계 기법을 소개할 것이다. 각각의

장치들은 자신이 통신하는 채널의 정보만을 알고 다른

채널들은 고려하지 않는다. 최적화에 필요한 인자들은

오프라인에서 각 장치의 지리적 특성을 고려해 미리

결정되고 이 인자들과 국소 채널정보를 이용해 간섭을

최소화하는 릴레이의 파워 증폭비율이 결정된다.

Ⅱ. 본론

그림 1. 시스템 구조

그림 1 은 본논문에서 고려하는 2-셀 양방향 중계기법

시스템 구조이다. 시스템 구조에서 Bi, Ri, Mi 는 i 번째

셀의 기지국, 릴레이, 유저를 나타내고, ha,b 는 a 와

b 사이의 채널을 의미한다(예: hB1,R1 은 B1 과 R1 사이의

채널). 업링크와 다운링크는 시간 분할 전송(Time

division duplexing)으로 가정하고 a 에서 b 로 가는

채널과 b 에서 a 로 가는 채널은 같다고 가정한다. xA 는

A 에서 전송하는 신호를 의미하고 릴레이를 제외한

장치들은 신호를 전송할 때 각자의 최고파워로 전송한다.

각 셀의 기지국과 유저의 SINR(Signal to interference-

plus-noise-ratios)을 구하기 위해 변수를

3 , 1,2i i i= − = B if M and by M if BΘ = Θ = Θ = Θ =

이와 같이 설정하고 iΘ 번째의 SINR 을 나타내면,

i

i

i

NSINR

DΘ

Θ

Θ

=

, , , ,i i i i i i i i ii R R i R RN P w h h w h hΘ Θ Θ Θ Θ Θ= +

, , , ,

, , , , .i i i i i i i i i

i i i i i i i i

i R R i R R

i R R i R R i

D P w h h w h h

P w h h w h h ε

Θ Θ Θ Θ Θ Θ

Θ Θ Θ Θ Θ

= + +

+ +

수식 1. 기지국, 릴레이, 유저의 SINR 표현식

여기서 , , 0 .i i i i i ii i R R i R Rw n h w n h Nε

Θ Θ Θ= + + 이고 n 은

평균 0 과 분산 N0 를 가지는 부가 백색 가우스 잡음이다.

wi 는 릴레이의 증폭 비율을 나타내고 PΘ는 Θ 의

최고파워를 나타낸다. 이때 총 sum-rate 를 구하는 식은

( ) ( )( ) ( )

1, 1 1, 1

2, 2 2, 2

log 1 log 1

log 1 log 1 .B M M B

B M M B

C SINR SINR

SINR SINR

= + + +

+ + + +

수식 2. Total sum-rate이와 같이 나타내 진다.

본논문에서 제안하는 기술은 wi 를 조절해 각

장치들의 SINR 을 개선하는 것이다. 이 기술은 불가능한

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구현을 방지하기 위해 국소 채널정보를 사용해 간섭을

상쇄시키는 것을 목적으로 한다. 그리고 이 문제는

다음의 식을 통해 풀어야 한다.

( )

1

2 2

0 0 1 1 1 1 1 2

2 2

1 1

m

,

in

s.t.

w B M

R

P w g P P w g P

E w r P

θ θ− + −

≤

( )

2

2 2

0 0 2 3 1 1 2 4

2 2

2 2

min

s.t. ,

w B M

R

P w g P P w g P

E w r P

θ θ+ + +

≤

수식 3. 릴레이 신호

이 때 0θ 와 1θ 은 0 1 1θ θ+ = 이 성립하는 비율 상수 이

고 0P 와 1P 은 기지국과 유저에서 수신될 것이라 예상되

는 신호의 크기로 오프라인 상태에서 구할 수 있다. 또

r1과 r2는 릴레이에서 수신된 신호이고 1g 부터 4g 는 다

음과 같이 정의된다.

1 1 2 1 1 1 2 1

2 2 1 2 2 2 1 2

1 , , 2 , ,

3 , , 4 , ,, .

,B R B R B R M R

B R B R B R M R

g h h g h h

g h h g h h

= =

= =

수식 4. g1~g4

이상적으로는 수식 3 에서 1 1 0 2 3 0, ,B Bw g P P w g P P= = −

1 2 1 2 4 1,M Mw g P P w g P P= = − 가 성립하면 간섭이 0 이

되어서 가장 좋다. 하지만 w1 과 w2 만을 바꿔서 4 개의

조건을 만족 시키는 것은 어렵기 때문에 0θ 와 1θ 을 곱

해줘 각 항의 중요도(간섭에 영향을 끼치는 정도)를 추가

해 주었다. 그리고 일반적으로 기지국의 신호가 유저의

신호보다 훨씬 크기 때문에 0θ 는 1 이 될 수 밖에 없고

1θ 은 0 이 되어 기지국이 다른 기지국에 주는 간섭을 없

애는 것을 우선시 하게 된다.

수식 3 은 극 값을 가지는 식이기 때문에 미분을 통해 풀

어 질 수 있다. 2 2

0 0 1 1 1 1 1 2

22 * * *0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1

22 * * *1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 1

( )

( )

B M

B B

M M

P w g P P w g P

P P g w P P w g

f

P w g w

P Pg w P Pw g P w g w

θ θ

θ

θ

− + −

= − − +

+ − − +

=

2 2* *

0 0 1 1 1 1 1 2 2 1*1

( ) ( )B M

dfP P g g w PP g g w

dwθ θ= − + + − +

수식 5. min조건을 만족하는 w1구하는 식

w2 는 w1 을 구하는 식에서, w1 을 –w2 로 바꾸고 g3

와 g4를 바꾸면 똑같기 때문에 w1, w2는 다음과 같

다.* * * *

0 1 0 1 2 1 0 3 0 1 4 11 22 2 2 2

0 1 1 2 0 3 1 4

, .B M B Mg P P g PP g P P g PPw wg g g g

θ θ θ θθ θ θ θ

+ += = −

+ +

수식 6. min조건을 만족하는 w1구하는 식

최적화된 w 를 보면 국소 채널정보 만으로도 계산할 수

있다는 것을 알 수 있다.

Ⅲ. 결론

. 기존의 시스템과 비교하기 위해서 소형셀 환경을

고려해 가정하면, 37BP = , 30RP = , 23MP dbm=

이다; 기지국과 릴레이 사이의 신호는 LOS 채널이고

나머지 채널은 그렇지 않다. 기존의 시스템으로는 두

가지가 고려되었는데 하나는 릴레이 없이 기지국과

유저가 직접적으로 통신하는 것이고, 다른 하나는 릴레이

증폭비율의 조정 없이 항상 최대의 파워로 전송하는

것이다.

시뮬레이션은 두 셀 모두 기지국과 릴레이 사이의

거리가 8m 라고 가정하고 K-factor 는 8 이라고

가정하였다. 그림 2 는 한 셀의 기지국과 유저 사이의

거리가 3m, 5m, 7m 일 때 다른 셀의 기지국과 유저

사이의 거리가 변함에 따라 총 sum-rate 가 어떻게

변하는지를 보여준다. 시뮬레이션 결과를 통해서

기지국과 유저 사이의 거리가 멀수록 제안한 시스템이

다른 두 시스템에 비해 좋은 성능을 가지는 것을 확인할

수 있다.

그림 2. 기존의 시스템과 제안한 시스템 비교

ACKNOWLEDGMENT

This work was supported by Basic Science Research

Program through the National Research Foundation of

Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT &

Future Planning(2014R1A1A1008213)

참 고 문 헌

[1] B. Rankov and A. Wittneben, “Spectral efficient protocols forhalf-duplex fading relay channels,” IEEE Journal on SelectedAreas in Communications, vol. 25, no. 2, pp. 379–389, Feb.2007.

[2] S.W. Peters, A. Y. Panah, K. T. Truong, and R.W. H. Jr., “Relay architectures for 3GPP LTE-advanced,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, pp. 1–14, 2009.[3] T. Gou and S. A. Jafar, “Degrees of freedom of the K user M X N MIMO interference channel,” IEEE Trans. Inform. Theory,

vol. 56, no. 12, pp. 6040–6057, Dec. 2010.

[4] R. S. Ganesan, T. Weber, and A. Klein, “Interference alignment in multi-user two way relay networks,” in Proc. IEEE Vehicular Technology Conference, Budapest, Hungary, May 2011, pp. 1550–2252. [5] J. Zhang, F. Roemer, M. Haardt, A. Khabbazibasmenj, andS. A. Vorobyov, “Sum rate maximization for multi-pair twoway relaying with single-antenna amplify and forward relays,” in Proc. IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), Kyoto, Japan, Mar. 2012, pp.2477–2480.

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