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괴옥 김
7 years ago
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1 논문 한국통신학회논문지 '9-3 Vol. 34 No. 3 적응재전송을적용한협력하이브리드 ARQ 기법 정회원강성교 *, 학생회원왕진수 *, 종신회원김윤희 *, 송익호 ** A Cooperative Hybrid ARQ Scheme with Adaptive Retransmission Seong Kyo Kang* Regular Member, Jin Soo Wang* Student Member, Yun Hee Kim*, Iickho Song** Lifelong Members 요 약 협력다양성기법은기기마다다중송신안테나를쓰지않고전송영역을확장하거나다양성차수를높일수있는기술로큰관심을얻고있다. 본논문에서는원천단말의신호대잡음비가낮을때전송률을더욱높이는하이브리드 ARQ (Automatic Repeat request) 릴레이전송기법을제안한다. 제안기법에서는원천단말이기지국과릴레이단말에게부호화패킷을전송하고, 재전송이필요한경우기지국이재전송기법과재전송단말을선택하다. 제안기법에서는터보부호어의정보비트수신품질에따라반복재전송과패리티증가재전송가운데한기법을선택하며, 릴레이단말의채널품질정보가있을때추가적으로채널상태가가장좋은단말이재전송하도록한다. 모의실험결과제안한방식은원천단말의신호대잡음비가낮을때의전송률을크게향상시킬수있음을볼수있다. Key Words : 협력다양성, 하이브리드 ARQ, 적응재전송, 릴레이전송, 터보부호 ABSTRACT Cooperative diversity is a promising technique for range extension and diversity increase without the use of multiple transmit antennas at the user equipment. In this paper, we propose a cooperative hybrid automatic repeat request relay method with adaptive retransmission to increase the throughput when the SNR of a source user is low. In the proposed method, the source user transmits the first segment of a codeword to relay users and a base station. If the base station fails to recover the information from the received packet, it requests the source or some relay users to retransmit the packet previously sent. In addition, the retransmission type of a selected user is chosen from repetition or incremental redundancy according to the quality of systematic bits in a turbo codeword. Simulation results show that the proposed method improves the throughput compared to conventional methods, and the improvement is significant when the source user has a low SNR. Ⅰ. 서론 대역폭이제한된무선통신시스템에서전송률을 높이는방법으로송신전력을높이거나다중송신 안테나를적용할수있다 [1]. 그러나, 비용과크기가제한된휴대용단말은안테나수를늘리거나송신전력을높이는데한계가있다. 이러한제약조건에서샹항링크성능을향상시키는방법으로다른단 이논문은정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로학국학술진흥재단의지원과 (KRF D311) 지식경제부및정보통신연구진흥원의대학 IT 연구센터지원으로 (IITA-28-C ) 수행된연구결과입니다. * 경희대학교전자전파공학과 (skboy81@airpoint.co.kr, delta31@khu.ac.kr, yheekim@khu.ac.kr) ** 한국과학기술원전자전산학과 (i.song@ieee.org) 논문번호 :KICS , 접수일자 :28 년 12 월 17 일, 최종논문접수일자 :29 년 3 월 3 일 213

2 한국통신학회논문지 '9-3 Vol. 34 No. 3 말의송신경로를이용하는협력 ( 릴레이 ) 전송방 식이활방하게연구되고있다 [2-1]. 협력전송의기본개념은 Cover 의릴레이채널 에대한이론적연구에서찾을수있으며 [2], 구현방법은크게 DF 와 (Decode-and-Forward) [4] AF (Amplify-and-Forward) [8] 방식으로나눌수있다. 최근에는 DF 방식의한확장으로기존 DF 방식에 서발생하는오류전파문제를없애고협력으로부호화다양성이득을제공하는부호화협력방식이제안되었다 [6][7][9][1]. 부호화협력방식은부호어의일부를원천단말이전송하고다른일부는협력단말이전송함으로써한부호어가원천단말과협력단말의두독립채널을겪게하여부호화다양성이득을증가시킨다. 이러한부호화협력방식은패리티증가 (Incremental Redundancy) 기반의하이브리드 ARQ (Automatic Repeat request) 의 [11] 연장선으로볼수있다. 즉, 기존하이브리드 ARQ 방식은초기전송과재전송모두원천단말이하는반면, 부호화협력전송에서는재전송을협력단말이수행하는것이다. 이에 [9] 에서는기존부호화협력방식을 [6] 다중홉하이브리드 ARQ 협력전송방식으로일반화하고원천단말이하나일때그성능을분석하였다. 그러나, 기존방식에서는패리티증가방식만을고려하고실제적으로채널부호화기법을적용할때준최적복호기가일으키는문제를고려하지않았다. 본논문에서는터보부호를기반으로협력하이브리드 ARQ 전송기법을적용할때패리티증가방식의단점을보안하는적응재전송기법을도입한다. 정보이론적으로는패리티증가재전송이반복재전송보다성능이우수하지만 [11], 준최적반복복호를사용하는터보부호의경우정보비트의오류가큰경우정보비트가포함된패킷을반복재전송하는복호성공확률을높일수있다. 따라서, 제안기법은원천단말과협력단말의채널품질에따라부호화패킷의재전송부분을바꾸고릴레이단말의채널품질정보가있을경우재전송단말또한선택하는적응재전송기법을제안한다. 논문의구성은다음과같다. II장에서는협력시스템모형과협력하이브리드 ARQ 절차를설명하고, III 장에서는에서는신호모형을기반으로한재전송기법을소개한다. IV장에서는모의실험을통해제안한방식의성능향상을보이며, V장에서결론을맺는다. Ⅱ. 시스템모형 그림 1은협력전송을적용하는셀룰러시스템의상향링크모형을보인것이다. 원천단말이 (source) 기지국으로데이터를전송할때원천단말이전송한패킷을재전송할수있는단말들을협력그룹이라부른다. 협력그룹에는원천단말을포함하여총 단말이있으며, 원천단말을제외한다른단말들을릴레이단말이라부른다. 원천단말이데이터전송을요청하면기지국은상향링크에데이터채널을할당하고, 이대한응답메시지를전달할피드백채널을하향링크에할당한다. 협력그룹내의릴레이단말들은협력가능성을보기위해하향링크피드백채널을항상관측한다. 그림 2는제안하는협력전송을위한송수신기구조를보여준다. 원천단말은협력전송을위해 CRC (Cyclic Redundancy Check) 비트를포함하는총 비트의정보데이터블록 을부호율이 인터보부호화기로부호화하여길이가 인부호화패킷을만든다. 이때, 1xEV-DO 시스템처럼 [12] 부호율 은 1/3 혹은 1/5로설정하고하이브리드 ARQ 전송에최적화된인터리빙방식을적용하여최종전체부호화패킷 을생성한다. 하이브리드 ARQ 전송을위해전체부호화패킷을여러부분패킷으로나누고, 번째전송에서의부분패킷을, 로둔다. 여기서, % 는나머지연산자, 는 번째부분패킷의시작비트색인 ( ), ( ) 는부분패킷길이이다. User #(M+1) User #1 (Source) User #2 User #3 Cooperative Group User #M 그림 1. 상향링크협력시스템모형.... Uplink Down link Base Station 214

3 논문 / 적응재전송을적용한협력하이브리드 ARQ 기법 (a) 원천단말송신기구조. (b) 기지국수신기구조. (c) 릴레이단말의송수신기구조. 그림 2. 제안하는협력전송을위한시스템모형. 먼저원천단말은부호율이 인첫부분패킷 을변조하여기지국과릴레이단말에게전송한다. 기지국과릴레이단말은그림 2(b) 와 2(c) 와같이복조와채널복호화과정으로수신패킷의정보를복원하고정보비트에대한 CRC를검증한다. 기지국은 CRC 검증이성공하면 ACK 메시지를, 실패하면재전송방법이포함된 NACK 메시지를하향링크피드백채널로전송한다. 릴레이단말들은 CRC 검증이성공하면그림 2(c) 의송신기에서전체부호화패킷 를생성하고, CRC 검증이실패하면새로운패킷전송이시작할때까지대기한다. 원천단말과릴레이단말들은하향링크피드백채널을복조하여, ACK이면원천단말은새로운데이터패킷을전송하고, NACK이면 NACK 정보가지시하는특정단말이지시하는재전송방법에따라부분패킷을재전송한다. 이러한재전송과정은 ACK를받거나최대전송횟수 에도달할때까지계속된다. 앞에서설명한협력하이브리드 ARQ 송수신방식의절차는그림 3에요약하였다. Ⅲ. 신호모형및적응재전송방법본절에서는렵력그룹내의모든릴레이단말이원천단말이전송하는첫패킷을올바르게복원한다고가정하고, 한패킷의최대전송횟수까지페이딩값이바뀌지않는블록페이딩환경에서적응재전송기법을제시한다. 변조방식으로 BPSK를 그림 3. 사용자협력전송방식의순서도. 적용할경우 째전송에서선택한부분패킷에대한변조심볼을 로두면, 기지국이 째전송에서수신한심볼열은다음과같다. (1) 여기서, 는 째전송에서선택된단말, 와 는선택된단말의심볼에너지와페이딩이득, 은 째전송의 째심볼구간에서의덧셈잡음이다. 첫전송에서의송신단말은원천단말이고 ( ), 변조심볼열 은부분패킷 의 BPSK 변조값이다. 제안하는적응재전송방법은 일때현재까지수신된정보비트에대한결합신호대잡음비를기준으로 로대응하는부분패킷 을결정하고, 단말채널품질정보에따라 를결정한다. 이를수식화하기위해 째단말의수신신호대잡음비를 으로정의하면, 째전송까지반복전송에의한정보비트의결합신호대잡음비는다음과같이쓸수있다.. (2) 215

4 한국통신학회논문지 '9-3 Vol. 34 No. 3 기지국은 가문턱값 보다작으면반복전송을선택하고, 문턱값 보다크면패리티증가방식을선택한다. 여기서, 문턱값 는시스템이적용하는채널부호화기법에대한성능평가로미리결정하여제공한다. 일단재전송방법으로패리티증가방식을선택하면그이후모든재전송은패리티증가방식으로선택한다. 기지국이추가적으로협력그룹단말들의신호대잡음비 를모두알경우재전송단말은신호대잡음비가가장센단말로결정한다. 제안기법을구현하는한예로협력그룹내의단말수가 2이고, =2, 피드백정보가 2 비트일때의전송프로토콜을그림 4에도시하였다. 그림에서 User 1과 User 2는각각원천단말과릴레이단말을나타내고, 피드백정보는 ACK' 과함께릴레이단말에의한반복재전송을뜻하는 NACK1' ( 그림 4(a)), 릴레이단말에의한패리티증가재전송을뜻하는 NACK2' ( 그림 4(b)), 원천단말에의한패리티증가재전송을뜻하는 NACK3' 가있다 ( 그림 4(c)). 여기서, 두비트로제한된피드백정보를가장잘사용하기위해성능향상이거의없는원천단말에의한반복재전송은제외하였다. 기지국이두단말로부터의수신신호대잡음비 과 를모두아는경우, 와 을비교하여재전송기법을결정하고, 과 를비교 BS User 1 Packet User 2 NACK CC ACK (a) 릴레이단말에의한반복 (CC) 재전송. New Packet 하여재전송단말을선택한뒤 `ACK', NACK1', NACK2', NACK3' 가운데한피드백정보를전달하도록한다. 기지국이각단말의신호대잡음비를모르고, 첫전송으로부터원천단말로부터의수신신호대잡음비 만을알수있는경우, 와 을비교하여재전송기법만을결정하고항상릴레이단말이재전송하도록한다. 이경우피드백정보는 `ACK', NACK1', NACK2' 만을쓴다. 1 Ⅳ. 모의실험결과 본절에서는적응재전송을적용한사용자협력하이브리드 ARQ 전송방식의성능을모의실험으로살펴본다. 하이브리드 ARQ 전송을위해 1xEV-DO 시스템의 [12] 터보부호와인터리빙방식을사용하였다. CRC를포함하여전체정보비트블록의크기는 이고, 첫전송부호율은 =1/2 또는 2/3으로설정하였다. 수신단에서채널상태정보는완벽하다고가정하였으며, 터보복호의반복횟수는 8로설정하였다. 그림 5는먼저반복재전송과패리티증가재전송을결정하는문턱값 를얻을수있도록, 부호화패킷의첫전송과재전송에대한신호대잡음비를각각, 로할때반복재전송과패리티증가재전송에대한패킷오류율을비교한것이다. 그림에서,, db로고정하고 를바꾸며성능을도출하였다. 첫부분패킷의신호대잡음비가 db 와같이매우낮을경우반복재전송이 (`CC ) 패 BS NACK1 ACK User 1 Packet User 2 IR (b) 릴레이단말에의한패리티증가 (IR) 재전송. BS User 1 User 2 NACK2 Packet ACK IR (c) 원천단말에의한패리티증가 (IR) 재전송. 그림 4. 일때적응재전송예. New Packet New Packet PER Λ 1 = -12 db Λ 1 = -1 db Λ 1 = -8 db IR CC Λ 2 그림 5. AWGN 환경에서릴레이단말의신호대잡음비에따른패킷오류율. 216

5 논문 / 적응재전송을적용한협력하이브리드 ARQ 기법 리티증가 (`IR ) 재전송보다성능이크게좋아짐을볼수있다. 이는터보부호의반복복호가올바른결과로수렴하기위해서는정보비트에너지가충분히커야하기때문이다. 첫부분패킷의신호대잡음비가 db로증가하면반복전송과패리티증가방식의성능이교차하는데, 이로부터문턱값 가약 db 근처임을알수있다. 또한논문에결과그래프를보이지않았지만 일경우문턱값 는약 db로얻을수있었다. 그림 6-9는협력그룹에원천단말과릴레이단말이하나씩있는 인조건하에, 레일리페이딩채널에서의평균전송률을각각다른조건에서보인것이다. 와 는원천단말과릴레이단말의페이딩채널에서의순간신호대잡음비이고 와 는그에대한평균값이다. 그림에서 IR only' (`CC only ) 는릴레이단말이항상패리티증가 ( 반복 ) 재전송을할때의성능이고, Adaptive2' 는 만을알고있을때재전송기법만선택한경우, Adaptive3' 은 과 를기반으로재전송기법과재전송단말을모두선택할때의성능이다. 그림 6과 7은첫전송부호율이 =1/2이고최대전송횟수가 일때의평균전송률을보인것이다. 원천단말과릴레이단말의평균신호대잡음비에따라 `CC only' 와 `IR only' 성능이교차함을볼수있다. 제안한 Adaptive2' 방식은 에따라재전송기법을선택함으로써, CC only' 와 `IR only' 방식가운데좋은성능으로수렴한다. 한편, `Adaptive3' 를적용할경우그림 6에서는.2 5 Adaptive 3 Adaptive 2 IR only CC only E{Γ (2) }=-2 db E{Γ (2) }=-5 db E{Γ (1) } 그림 7., 일때, 원천단말의평균신호대잡음비에따른전송률 db, db일때, 그림 7 에서는 db, db일때 `Adaptive2' 보다성능이좋다. 즉, 기지국이릴레이의순간신호대잡음비정보를알수있다면릴레이단말이원천단말보다순간신호대잡음비가낮은영역에서재전송단말을효율적으로선택함으로써전송률을더욱높일수있다. 그림 8은그림 6에서 =2/3, 으로바꾸 고원천단말의평균신호대잡음비를 db로할때의성능을보인것이다. 그림 6에서 db인경우와비교하면, 그림 8이첫전송부호율은높지만지연시간을허용하여재전송횟수를늘림으로써전체전송률을향상시킴을볼수있다. 한현, =1/2이고 인그림 6에서는 CC only' 가 `IR only' 보다항상우수한성능 E{Γ (1) }=-12 db E{Γ (2) } Adaptive 3 Adaptive 2 IR only CC only E{Γ (1) }=-4 db 그림 6.,, 일때, 릴레이단말의신호대잡음비에따른전송률 Adaptive 3 Adaptive 2 IR only CC only E{Γ (2) } 그림 8.,,, =-12 db 일때, 릴레이의평균신호대잡음비에따른전송률. 217

6 한국통신학회논문지 '9-3 Vol. 34 No. 3 을보인반면, =2/3 이고 인그림 8 에서는 db 이면 CC only' 가 `IR only' 보다 성능이나빠짐을볼수있다. 이는첫번째전송에서 부호율이높을경우반복전송보다패리티증가재전송이복호성능이득에더도움이되기때문이다. 그림 9-1은협력그룹내의단말수가 일때재전송시재전송기법뿐만아니라재전송단말을선택할때의평균전송률을보인것이다. 원천단말의평균신호대잡음비는 이고, 릴레이단말의평균신호대잡음비는모두, 로같다고둔다. 그림 9는 =1/2이고 일때의성능, 그림 1은 =2/3이고 일때의성능이다. 그림 9와그림 1에서볼수있듯이릴레이단말의신호대잡음비 가낮더라도협력그룹내의단말수가늘어남에따라가장채널상태가좋은릴레이단말을선택함으로써전송률이최댓값으로수렴함을볼수있다. 이러한성능향상은피드백정보가 만큼증가하고기지국이모든릴레이의채널상태정보를알아야하는오버헤드및복잡도증가로얻을수있다. 그림에서볼수있듯이피드백오버헤드가한비트증가함에따라성능이득은거의 2배씩증가함을볼수있다. 또한, 그림 1에서는재전송횟수를늘림으로써그림 9보다보다낮은 값에서전송률이최댓값으로수렴하는것을볼수있다 Ⅴ. 결론 본논문에서는셀룰러시스템의상향링크에서단말들이협력으로적응재전송을수행하는하이브 E{Γ (1) }=-12 db E{Γ (2) } M=16 M=8 M=4 M=2 E{Γ (1) }=-4 db 그림 9. 협력그룹내단말수가 이고,, 일때재전송단말을선택하는제안방법의전송률 E{Γ (1) }=-12 db E{Γ (2) } M=16 M=8 M=4 M=2 E{Γ (1) }=-4 db 그림 1. 협력그룹내단말수가 이고,, 일때, 재전송단말을선택하는제안방법의전송률. 리드 ARQ 방식을제안하였다. 제안하는방식은정보비트의수신품질에따라반복또는패리티증가재전송방식을결정하는한편, 협력그룹단말들의채널상태정보가있을경우추가적으로재전송단말을선택한다. 제안한방식을적용하기위해재전송방식을결정하는문턱값을모의실험으로얻었으며, 문턱값을이용한적응재전송기법의성능을평가하였다. 제안방식은재전송방식을알맞게선택함으로써특히원천단말의신호대잡음비가매우낮을때의전송률을향상시킨다. 추가적으로각단말의채널상태정보를이용하여재전송단말을선택하면피드백오버헤드는증가하지만넓은신호대잡음비범위에서전송률을향상시킬수있다. 특히, 협력그룹단말수를 2-4로제한하면 1-2 비트의피드백오버헤드로전송률을크게높일수있다. 향후제안기법의실제적인적용을위해서단말과기지국사이의채널품질뿐만아니라원천단말과릴레이단말사이의채널품질을함께고려한효율적인릴레이선택방법을연구할계획이다. 참고문헌 [1] G.J. Foschini and M.J. Gans, On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas, Wireless Personal Commun., vol. 6, no. 3, pp , Mar [2] T.M. Cover and A.A.E. Gamal, Capacity theorems for the relay channel, IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 25, no. 5, pp , Sept

논문 / 적응재전송을적용한협력하이브리드 ARQ 기법 [3] B. Zhao and M.C. Valenti, Distributed turbo coded diversity for relay channel, Electr. Letters, vol. 39, no. 1, pp. 786-787, May 23. [4] A. Sendonaris, E.

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7 논문 / 적응재전송을적용한협력하이브리드 ARQ 기법 [3] B. Zhao and M.C. Valenti, Distributed turbo coded diversity for relay channel, Electr. Letters, vol. 39, no. 1, pp , May 23. [4] A. Sendonaris, E. Erkip, and B. Aazhang, User cooperation diversity-part I: System description, IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 11, pp , Nov. 23. [5] A. Sendonaris, E. Erkip, and B. Aazhang, User cooperation diversity-part II: Implementation aspects and performance analysis, IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 11, pp , Nov. 23. [6] M. Janani, A. Hedayat, T.E. Hunter, and A. Nosratinia, Coded cooperation in wireless communications: space-time transmission and iterative decoding, IEEE Trans. Sig. Process., vol. 52, no. 2, pp , Feb. 24. [7] A. Nosratinia, T.E. Hunter, and A. Hedayat, Cooperative communication in wireless networks, IEEE Commun. Mag., vol. 42, no. 1, pp. 74-8, Oct. 24. [8] J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, Cooperative diversity in wireless networks: efficient protocols and outage behavior, IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 5, pp , Dec. 24. [9] B. Zhao and MC. Valenti, Practical realy networks: a generalization of hybrid-arq IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 23, no. 1, pp. 7-18, Jan. 25. [1] T.E. Hunter and A. Nosratinia, Diversity through coded cooperation, IEEE Trans. Commun., vol. 5, no. 2, pp. 1-7, Feb. 26. [11] P. Frenger, S. Parkvall, and E. Dahlman, Performance comparison of HARQ with Chase combining and incremental redundancy for HSDPA, Proc. IEEE VTC, pp , Atlantic City, USA, Oct. 21. [12] 3GPP2 C.S2-C, v2., Physical layer standard for cdma2 spread spectrum systems, July 24. 강성교 (Sung Kyo Kang) 정회원 25년 2월경희대학교전자공학과공학사 27년 2월경희대학교전자공학과공학석사 27년 2월 ~ 현재 Airpoint 소프트웨어팀연구원 < 관심분야 > 이동통신, 통신이론왕진수 (Jin Soo Wang) 학생회원 28년 2월경희대학교전자정보학부공학사 29년 2월 ~ 현재경희대학교전자전파공학과석사과정 < 관심분야 > 이동 / 무선통신, 혐력다양성기술, 무선자원할당김윤희 (Yun Hee Kim) 종신회원 1995년 2월한국과학기술원전기및전자공학과공학사 1997년 2월한국과학기술원전기및전자공학과공학석사 2년 1월 ~2년 4월 UCSD 방문연구원 2년 8월한국과학기술원전자전산학과박사 2년 9월 ~24년 8월한국전자통신연구원선임연구원 24년 9월 ~ 현재경희대학교전자정보학부조교수, 부교수 26년 1월 ~ 현재 IEEE 선임회원, 한국통신학회논문지편집위원 < 관심분야 > 이동 / 무선통신, 통신이론, 통계학적신호처리, 부호및정보이론 219

8 한국통신학회논문지 '9-3 Vol. 34 No. 3 송익호 (Iickho Song) 종신회원 1982년 2월 1984년 2월서울대학교전자공학과공학사 ( 준최우등 ), 공학석사 1985년 8월 1987년 5월펜실베니아대학교전기공학과공학석사 / 박사 1987년 3월 ~1988년 2월벨통신연구소연구원 1988년 3월 ~ 현재한국과학기술원전자전산학과조교수, 부교수, 교수 1995년 1월 ~ 현재한국통신학회논문지편집위원 1991년 11월, 1996년 11월한국통신학회학술상 1993년 11월한국음향학회우수연구상 1998년 11월한국통신학회 LG학술상 1999년 11월대한전자공학회해동논문상 2년 3월젊은과학자상 2년 11월한국통신학회모토롤라학술상 26년 11월한국통신학회해동정보통신학술상 27년 1월영국공학기술학회우수업적상대한전자공학회, 한국음향학회, 한국통신학회평생회원, IET 석학회원, IEEE 준석학회원 < 관심분야 > 통계학적신호처리와통신이론, 신호검파와추정, 이동통신 22

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¼º¿øÁø Ãâ·Â-1 Bandwidth Efficiency Analysis for Cooperative Transmission Methods of Downlink Signals using Distributed Antennas In this paper, the performance of cooperative transmission methods for downlink transmission