A Novel Cooperative Communication to Achieve Secondary Spectrum Access Using Adaptive Incremental Decode-and-Forward(AIDF) Protocol

DOI : 10.5515/KJKIEES.2011.22.3.354

「이 논문은 2010년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2010-0016782).」

울산대학교 전기전자정보시스템공학과(Department of Electrical Engineering, University of Ulsan)

․논 문 번 호 : 20101105-160

․교 신 저 자 : 공형윤(e-mail : [email protected])

․수정완료일자: 2011년 1월 3일

적응 증분 복호 후 전달 프로토콜을 이용하여 2차 스펙트럼 접근이 가능한 협력 통신 기법

A Novel Cooperative Communication to Achieve Secondary Spectrum Access Using Adaptive Incremental Decode-and-Forward(AIDF) Protocol

김 렴․공 형 윤 Lyum Kim․Hyung-Yun Kong

요 약

본 논문에서는1차 시스템의 협력 통신에서 중계기가 2차 시스템의 송신단으로 동작함으로써 2차 스펙트럼

접근이 가능한 협력 통신 기법을 제안한다. 일반적인 협력 통신 시스템에서는 Phase 1에 1차 시스템의 송신단은 자신의 신호를 모든 노드에 브로드캐스트하고, 나머지 노드는 이 신호를 수신한다. 그런 다음, Phase 2에 1차

시스템의 중계기 역할을 하는2차 시스템 송신단은 1차 시스템에서 수신 후 복호한 신호와 자신이 전송하고자

하는 신호를 결합하여 각 수신단으로 브로드캐스트 한다. 이를 수신하는 각 1차 및 2차 수신단에서는 큰 잡음을 가지는 신호를 수신하며, 이는 수신 성능 감소의 원인이 된다. 이를 극복하기 위해서 1차 시스템 수신단이 1 phase만에 수신에 성공할 시에 2차 시스템 송신단이 자신의 신호만을 전송하는 적응 증분형 복호 후 전송 프로 토콜을 제안한다. 이를 이용하여 전체 시스템의 성능을 향상시킬 수 있음을 모의실험을 통해 보인다.

Abstract

In this paper, we propose a spectrum sharing system that enable secondary user's spectrum access in cooperative communication scheme. At phase 1, a transmitter in primary system broadcasts signals to the rest nodes. And then, at phase 2, a transmitter in secondary system combines the decoded signals after received from a transmitter in primary system and its own signal. And then transmitter of secondary system broadcasts the combined signals to receivers of primary and secondary systems. At this time, due to the process of combining signals, receivers of primary and secon- dary systems experiences a performance degradation. Therefore, we propose a novel adaptive incremental decode-and- forward(AIDF) protocol to overcome this problem. By using AIDF protocol, we show performance improvement of total system through various simulations.

Key words : Cooperative Communication, Incremental Relaying, Maximal Ratio Combining, Adaptive Transmission Protocol

Ⅰ. 서 론

최근 들어 다양한 무선 통신 서비스의 급증으로 인해 한정된 주파수 자원은 점점 포화 상태에 이르

고 있다. 앞으로의 미래 사회에서 계속해서 증가하 는 다양한 무선 콘텐츠와 서비스는 보다 많은 사용 자를 불러올 것이며, 이는 또 다른 주파수의 할당이 필요함을 의미한다. 그러나 미국의 주파수 관리 정

책을 담당하는 연방 통신위원회(FCC: Federal Co- mmunication Commission)의 보고서에 따르면 실제 사용되는 스펙트럼 사용률(spectrum utilization)이6.5

% 이내로 매우 낮게 나타나고 있으며, 이는 곧 기존 의 주파수 정책이 효율적인 주파수 운용을 하지 못 하고 있음을 보여준다. 따라서 유한한 주파수 이용 의 효율을 높일 수 있다면, 현재 예상되는 주파수 부 족 문제를 해결할 수 있음을 시사하고 있다.

주파수 부족 문제를 해결하기 위해 제안된 대표 적인 기술로 스펙트럼의 효율을 증가시킬 수 있는 무선 인지(cognitive radio) 기술이 있다. 특정 주파수 를 사용할 수 있도록 허가된1차 시스템 외에도 허 가되지 않은 2차 시스템이 1차 시스템에게 허가된 주파수에 접근이 가능하게 함으로써 보다 높은 스펙 트럼 효율을 얻을 수 있게 한다^[1],[2].

무선 통신 시스템은 이를 사용하는 모든 이들의 목적에 부합할 수 있도록 단말기 간 송․수신의 신 뢰성, 보다 넓은 전송 커버리지와 성능을 얻기 위해 끊임없이 발전해 왔다. 그 중 MIMO(Multiple-Input- Multiple-Output) 기술은 송신기와 수신기에 다중 안 테나를 이용함으로써 발생하는 전송 다이버시티 이 득을 얻을 수 있는 기술로 잘 알려져 있다. 하지만 다중 안테나를 이용하는MIMO는 셀룰러나 센서 네 트워크와 같은 소형 단말기에 적용하기엔 어려움이 있다. 따라서 단일 안테나를 가지는 단말기 간 가상

의MIMO 환경을 구축하여 다이버시티 이득을 얻을

수 있는 협력 통신(cooperative communication) 기술 이 많은 연구자들에 의해 제안되었다^[3],[4].

그림 1과 같이 협력 통신은 송신단(S)과 수신단 (D) 사이에 중계기(R)를 사용한다. S-D간 채널 상태 가 미리 정해 놓은 기준치보다 좋을 때S에서 송신 한 신호를R로부터 재 전송받는 과정을 생략하여도 D에서 바로 복호가 가능하다고 판단할 수 있다. 이

그림 1. 하나의 중계기를 가지는 협력 통신 모델 Fig. 1. The cooperative communication model with one

relay.

러한 경우R로부터 재전송 과정을 생략함으로써 스 펙트럼 효율을 증가시킬 수 있는 증분(incremental) 중계 기법이 개발되었다^[5],[6].

기존의 협력 통신에서 중계기는 송신단으로부터 수신한 신호를 수신단으로 재전송함으로써, 수신단 에서 전송 다이버시티 이득을 얻을 수 있도록 하는 역할을 했다. 하지만Y. Han은 스펙트럼 효율을 증 가시킬 수 있도록 송․수신단간 통신에서 중계기를 2차 시스템의 송신단으로 가정하여, 중계기가 송․

수신단간 통신의 중계기 역할을 함과 동시에 자신의 신호를 선형 결합하여 전송할 수 있는 모델을 제안 하였다. 또한, 제안한 시스템의 송․수신단간 오 수 신 확률(outage probability)과 중계기가 전송하는 신 호의 오 수신 확률을 분석하였다^[7].

본 논문에서는 스펙트럼 효율을 증가시키면서 보 다 신뢰성있는 수신 성능을 얻을 수 있는 시스템을 제안한다. 제안되는 시스템은Y. Han이 제안한 시스 템 모델과 같이1차 시스템과2차 시스템이 공존하 며, 2차 시스템의 송신단은1차 시스템의 중계기 역 할을 함과 동시에 자신이 전송하고자 하는 신호를2 차 시스템의 수신단으로 전송할 수 있다. 또한, Y.

Han이 제안한 시스템에서 2차 시스템의 낮은 수신 성능을 향상시키기 위해, 송․수신단간 채널 상태에 따라2차 시스템의 송신단에서 전송 신호의 선형 결 합시 각 신호에 전력 할당(power allocation)을 다르게 하여 전송할 수 있는 적응 증분 복호 및 전달(AIDF:

Adaptive Incremental Decode-and-Forward) 프로토콜 을 제안한다. 제안하는 시스템에서는2차 시스템의 송신단이 중계기 역할 외에 자신의 신호를 전송하고 자 하기 때문에, 기존의 증분 중계 기법과 같이 중계 기의 재전송 과정을 없앰으로써 전송 Phase를 줄일 수 있는 이점을 얻지 못하지만, 2차 시스템의 BER 성능을 향상시킬 수 있다.

Ⅱ장에서는 본 논문에서 제안하는 시스템 모델을 소개하고, Ⅲ장에서는 제안하는 시스템의 각 수신단 에서 원하는 신호 복호 방법을 설명한다. Ⅳ장에서 는 모의실험을 통해 시스템의 성능을 보이며, 마지 막으로 Ⅴ장에서 결론을 맺는다.

Ⅱ. 시스템 모델

본 논문에서는 그림2와 같이1차 전송단(Primary

그림 2. 고려된 시스템 모델 Fig. 2. Considered system model.

Transmitter: PT)과1차 수신단(Primary Receiver: PR) 을 하나씩 가지는1차 시스템(primary system)과2차 전송단(Secondary Transmitter: ST)과2차 수신단(Se- condary Receiver: SR)을 하나씩 가지는 2차 시스템 (secondary system)을 고려한다.

이 때PR, ST, SR 노드는PT의 전송 커버리지 안 에 위치하고, 각 노드 간 채널은 모두 독립적이라고 가정한다.

2-1 비적응 증분 복호 후 전달 프로토콜 비적응 증분 복호 후 전달(NAIDF: Non-Adaptive Incremental Decode-and-Forward) 프로토콜에서Phase 1에PT는 자신의 전송 신호를 모든 노드에 브로드캐 스트 하며, 각 노드에서 수신한 신호(_)는 아래 식 (1)과 같다.

  _



  _



  _



Phase 2에ST는DF(Decode-and-Forward) 프로토콜 을 이용한다^[8]. PT로부터 수신 후 복호한 신호(_′) 와 자신이 전송하고자 하는 신호(_)를 결합한다. 이 때ST의 전송 전력을 미리 정해놓은 값에 따라 각 신호에 나누어 할당하며, 이 과정이 끝나면 각 노드 로 결합 신호를 브로드캐스트 한다. 각 노드에서 수 신한 신호는 아래 식(2)와 같다.

  _

 

 _{} 

_



 

 _{} 

_



  _

 

 _{} 

_



 

 _{} 

_



2-2 적응 증분 복호 후 전달 프로토콜

적응 증분 복호 후 전달(AIDF: Adaptive Incre- men- tal Decode-and-Forward) 프로토콜에서Phase 1의 동 작은NAIDF와 동일하며, Phase 2에서 증분 중계 기 법을 이용한다.

만약 PT-PR간 채널의SNR(signal-to-noise)이 크다 면 중계기에서 수신한PT 신호의 재전송 없이도PT- PR간 직접 통신이 가능하다. 이러한 경우 기존의 증 분 중계 기법에서는 수신단에서 PT로부터 직접 수 신한 신호만으로 복호에 성공할 수 있다는 판단 하 에 중계기의 동작을 중단하고, 송신단은 다음 전송 을 시작할 수 있다. 하지만 본 시스템의 경우ST가 1차 시스템의 중계기 역할 외에도 자신이 전송하고 자 하는 신호가 있으므로 Phase 2에서 동작을 중단 할 수 없다. 따라서PT-PR간 직접 통신만으로PR에 서의 복호가 가능하다고 판단되면, PR은 각 노드를 향해 복호에 성공했다는success 메시지를 전송한다 (반대의 경우failure 메시지를 전송). 이러한 복호 성 공과 실패는 아래 식 (3)과 같은 조건에 따라 판단 한다.

Success :

Failure :

(3)

이 때 _{ } _

 ^^이며, _는 임계(threshold) SNR(signal-to-noise)이다.

Success 메시지를 받은ST에서는 모든 전송 전력

을 _에 할당함(식 (2)에서  0)으로써 SR에서의 수신 성능을 향상시킬 수 있다. ST 결합 신호의 _

그림 3. AIDF 동작 Fig. 3. AIDF operation.

가 곱해진 부분은 SR에게는 잡음으로 작용하기 때 문에  0이 될 경우 이를 완전히 제거할 수 있다. 따라서 SR에서 최종적으로 수신하는 신호는 _

_



서는Phase 1에PT로부터 수신한 신호만을 이용하여

신호를 복호하고, SR에서는Phase 2에ST로부터 수 신한 신호만을 이용하여 신호를 복호한다.

Failure 메시지를 받은 경우의 송․수신 방법은

NAIDF와 동일하다. 그림 3은AIDF에서 각 메시지 수신에 따라 송신 전력의 할당을 달리하는 동작을 나타낸다.

Ⅲ. PR, SR에서 수신 방법

3-1 NAIDF-PR의 경우

NAIDF를 이용하는 경우PR에서Phase 1, 2 동안 수신하는 신호는_ _이다. PR은ST가 할당하는 를 알고 있으며, 이 때ST에서Phase 1에 수신한 _ 를 이용하여 _를 반드시 복호할 수 있다고 가정하 면 _=_′가 된다. _ _는 다음 식 (4)와 같다.

_



_ _

 





≒ _

 





(4) 식(4)의 _ _을 이용하여PR에서는 MRC를 이

용하여 두 신호를 결합하면 다음 식(5)와 같이 최종 신호를 얻을 수 있다.

_ __

_

 _

^^    _

^ _

^^ __ ^^   _

^^

_

 ^^    _

_^   _ _^ _

^

 

 _{ } 



^^_{ }

^^    _

^^{ }

_

 __ 

^^    _

_^   _ _^ _ (5) 이렇게 얻은 _를 식(5)에 나타낸 로 나누어 주면 다음 식 (6)과 같이 간단히 나타낼 수 있으며, 이를 최종적으로 복호한다.

_  _  (6)

3-2 NAIDF-SR의 경우

NAIDF를 이용하는 경우SR에서 Phase 1, 2 동안 수신하는 신호는 _ _이다. SR의 경우 복호하고자 하는 신호는_이며, ST가 할당하는를 알고 있으 며, 3-1-1 경우와 마찬가지로_=_′로 가정한다. SR 에서의 복호과정은 PR의 경우와 다르게 시도한다.

_ _는 다음 식 (7)과 같다.

_



_ _

 





 _

 





_′  _

_^^





 





  _ 



_ (8) Phase 2에_를 수신하고, 다음 식(9)와 같이sca- ling을 시도한다.

_′  __^^

^ _



 









 _ 





_ 



_

(9) 이렇게 구해진_′ _′을 아래 식(10)과 같이 계 산하면 최종적으로 _를 얻을 수 있다.

_′  _′ 







_ 



_









_





 

 _{ } 







_





_

 



_



(10) 이 때 _′  _′을 식 (10)에 나타낸 로 나누어 주면 다음 식(11)과 같이 간단히 나타낼 수 있으며, 최종적으로 복호한다.

_′  _′   _ (11)

3-3 AIDF의 경우

제안한 시스템에서 AIDF를 이용할 때Phase 1에

서_{ }≺ _ 라면 PT-PR간 직접 통신만으로PR

에서_신호를 복호할 수 없으며, PR은Failure 메시 지를 각 노드로 알린다고 앞서 설명하였다. 이런 경 우에PR, SR은NAIDF와 동일한 방법으로 신호를 복 호한다.

하지만 _{  }≥ _라면 PR은PT-PR간 직접 통 신만으로 _신호 복호에 성공할 수 있다고 판단하 고, Success 메시지를 각 노드로 알린다. Success 메 시지를 받은 ST에서는NAIDF를 이용할 때와 다르 게 동작한다.

이 때 0로 할당함으로써_에 할당되기로 약 속되어 있던ST 전송 전력을0으로 변경한다. 따라

서 SR에서는 Phase 1에 수신한 신호를 무시한 채

Phase 2에 수신한 신호 _



송하는 경우 각 수신단에서 복호에 이용하는 신호는 다음과 같다.

PR : Phase 1에 수신한 _





Ⅳ. 모의실험

본 장에서는 제안하는 두 프로토콜인 NAIDF와 AIDF의 성능을 평가하기 위해 다양하게 접근한다. 표1에는 모의실험 시 파라미터를 표기하였다.

4-1 NAIDF 성능 분석

먼저ST가 할당하는 전력비 를0.3～0.8까지 변 화시키면서ST에서 결합신호 생성 시 각 신호에 할 당되는 전송 전력을 변화한다. 이 때 PR과 SR의 BER(Bit Error Rate) 성능은 그림 4 및 5와 같다.

그림4 및5에서가 커질수록PR의BER 성능은 표 1. 모의실험 파라미터

Table 1. Simulation parameter.

Fading Rayleigh fading Distance _ _1

_ _ _0.5

Path loss 3

Modulation QPSK

Eb/N

그림 4. NAIDF를 이용할 때 변화에 따른 PR의

BER 성능

Fig. 4. Using NAIDF, BER performance depend on  of PR.

그림 5. NAIDF를 이용할 때 변화에 따른SR의 BER 성능

Fig. 5. Using NAIDF, BER performance depend on  of SR.

향상되며, SR은 성능이 감소함을 볼 수 있다. 이는

ST에서 신호결합 시에 값에 따라 각 수신단에서 원하는 신호의 크기가 상대적으로 커지면 성능이 향 상되고, 작아지면 감소한다는 것을 나타낸다. 따라 서1차 시스템의 성능 향상이2차 시스템의 성능 감 소를 불러올 수 있음을 나타낸다. 1차 시스템과2차 시스템의 값 변화에 따른 BER 성능 분석을 통해 PR과SR의 성능 간trade-off 관계를 알 수 있다.

4-2 AIDF 성능 분석

NAIDF와 마찬가지로를0.3～0.8까지 변화시킴

그림 6. AIDF를 이용할 때 변화에 따른PR의 BER 성능

Fig. 6. Using AIDF, BER performance depend on  of PR.

그림 7. AIDF를 이용할 때 변화에 따른SR의 BER 성능

Fig. 7. Using AIDF, BER performance depend on  of SR.

그림 8. PR에서 NAIDF와 AIDF의 BER 성능 비교 Fig. 8. Compared BER performance in PR between NAI-

DF and AIDF.

으로써ST에서 결합신호 생성 시 각 신호에 할당되 는 전송 전력을 변화시키며, ^=5 [dB]로 고정한다. 이 때 PR과SR의BER 성능은 그림6 및7과 같다.

본 모의 실험을 통해AIDF에서도NAIDF와 같이

의 변화에 따른 PR, SR에서의 BER 성능이 서로 trade-off 관계를 가짐을 알 수 있다.

그림8, 9에서는NAIDF와AIDF의 성능을 비교하 였다. AIDF는 앞선 모의실험과 마찬가지로 _= 5 [dB]로 고정하였다. 전체적으로NAIDF에 비해AIDF 가 더 높은 BER 성능을 보인다. 이는 AIDF에서

_{ }≥ _의 경우에PR에서는 PT의 신호만을 이

용하여 복호에 성공할 수 있으며, SR도ST에서의 결

그림 9. SR에서 NAIDF와 AIDF의 BER 성능 비교 Fig. 9. Compared BER performance in SR between NAI-

DF and AIDF.

합 신호가 SR만을 위한 신호를 수신함으로써 수신 신호의 잡음이 현저히 줄어들기 때문이다.

_을 변화시킴으로써 _{ }≥ _ 조건을 충족 하기 위해 요구되는_{ }도 변한다. 이는PT-PR 간 직접 전송 횟수 및ST에서 신호 결합 횟수의 변화를 가져온다. 이에 대한 성능 변화를 알아보기 위해 

=0.7로 고정하고_를 변화했을 때BER 성능 변화 는 그림10과 같으며, ^가 증가할수록1차 시스템 의 성능은 향상되고, 2차 시스템의 성능은 감소함을 보인다.

그림 10. AIDF를 이용할 때 _변화에 따른 PR, SR 의 BER 성능

Fig. 10. Using AIDF, BER performance depend on

_ of PR and SR.

1차 시스템에서는 _를 점점 크게 할수록 PR에 서PT로부터 직접 전송이 성공했다고 판단하는 기 준이 보다 강화되어 직접 전송 시 신뢰도가 향상되 고, 직접 전송이 안 될 경우MRC를 이용하여 전송 다이버시티 이득을 얻어 복호하기 때문에 성능이 점 점 향상된다. 반면, 2차 시스템은 _가 증가할수록 직접 전송 횟수가 줄어들게 되어 잡음이 많이 포함 된 신호를 이용해 신호를 복호하는 횟수가 증가함으 로써 성능이 점점 감소함을 알 수 있다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 1차 및 2차 시스템이 공존함으로 써 스펙트럼 효율을 높일 수 있는 협력 통신을 위한 2가지 프로토콜을 제안하였다. 먼저 제안된NAIDF 는 항상1차 및2차 송신단의 신호를 결합하기 때문 에 각 수신단에서는 많은 잡음을 가진 신호를 수신 하는 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 제안 된AIDF는1차 수신단의 복호 성공 유무에 따라ST 에서는 신호 결합의 형태를 변화시켜1차 및2차 시 스템에서 받는 잡음의 영향을 줄임으로써BER 성능 을 향상시킬 수 있었다.

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김 렴

2010년 2월: 울산대학교 전기전자 정보시스템공학부(공학사) 2010년 3월～현재: 울산대학교 전

기전자정보시스템공학과 석사과 정

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공 형 윤

1989년 2월: 미국 New York Institu- te of Technology 전자공학과 (공 학사)

1991년 2월: 미국 Polytechnic Uni- versity 전자공학과 (공학석사) 1996년 2월: 미국 Polytechnic Uni-

versity 전자공학과 (공학박사) 1996년～1996년: LG전자 PCS 팀장

1996년～1998년: LG전자 회장실 전략사업단

1998년～현재: 울산대학교 전기전자정보시스템공학부 교 수

[주 관심분야] 모듈레이션, 채널 부호화, 검파 및 추정 기 술, 협력 통신, 센서 네트워크