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Title Page

초록

Abstract

Contents

Chapter 1. Introduction 12

1.1. Cooperative Relaying System 12

1.1.1. Two-way relaying 12

1.1.2. In-band full duplex relaying 13

1.2. Cooperative NOMA System 15

1.2.1. One-way cooperative NOMA 16

1.2.2. Two-way cooperative NOMA 17

1.2.3. In-band full duplex cooperative NOMA 17

1.3. Outline of the Dissertation 19

Chapter 2. Half-Duplex Two-Way Cooperative NOMA scheme 20

2.1. Introduction 20

2.2. System model 21

2.3. Outage probability 24

2.3.1. Outage probability for each signal 26

2.3.2. System Outage Probability 27

2.4. Optimal joint power and time allocation 28

2.4.1. Power Allocation 28

2.4.2. Time Allocation 31

2.5. Performance Evaluation 36

2.6. Conclusion 54

Chapter 3. In-band Full-Duplex Two-Way Cooperative Relay scheme 55

3.1. Introduction 55

3.2. System model 56

3.2.1. Phase 1 59

3.2.2. Phase 2 60

3.3. Power allocation 61

3.3.1. Two-way relay mode 62

3.3.2. Uplink relay mode 63

3.3.3. Downlink relay mode 64

3.4. Outage Probability 66

3.4.1. Far user's uplink signal uF[이미지참조] 66

3.4.2. Near user's uplink signal uN[이미지참조] 66

3.4.3. Far user's downlink signal dF[이미지참조] 67

3.4.4. Near user's downlink signal dN[이미지참조] 72

3.4.5. Downilnk joint outage probability 73

3.5. Expected Rate 75

3.5.1. Far user's uplink signal uF[이미지참조] 75

3.5.2. Near user's uplink signal uN[이미지참조] 75

3.5.3. Far user's downlink signal dF[이미지참조] 75

3.5.4. Near user's downlink signal dN[이미지참조] 79

3.6. Numerical results 80

3.6.1. Outage Probability 80

3.6.2. Expected Rate 89

3.7. Conclusion 93

3.8. Appendices: In-band Full-Duplex One-Way Cooperative NOMA scheme 94

3.8.1. Phase 1: Uplink cooperative NOMA 95

3.8.2. Phase 2: Downlink cooperative NOMA 98

Chapter 4. Concluding Remark 101

Bibliography 103

Curriculum Vitae in Korean 111

List of Tables

Table 2.1. System outage probability according to distance between BS and NU 44

Table 3.1. Notations used in Chapter 3 58

List of Figures

Figure 1.1. Comparison between relay protocols 13

Figure 1.2. The example system models of in-band full duplex one-way relaying and two-way relaying 14

Figure 1.3. Basic concept of downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) 15

Figure 1.4. The basic concept of one-way cooperative NOMA system 16

Figure 1.5. The example system models of in-band full duplex one-way CNOMA 17

Figure 2.1. Operation of the proposed half-duplex based two-way cooperative NOMA system 22

Figure 2.2. System outage probability comparison according to transmit SNR where d₁ ＝ 0.3 m,... 39

Figure 2.3. Outage probability comparison for each signal according to transmit SNR where d₁ ＝ 0.3,... 40

Figure 2.4. Optimal power (α1*,α3*) and time (t1*,t2*,t3*) allocation and system outage probability...[이미지참조] 41

Figure 2.5. Optimal power (α1*,α3*) and time (t1*,t2*,t3*) allocation and system outage probability...[이미지참조] 42

Figure 2.6. Optimal power (α1*,α3*) and time (t1*,t2*,t3*) allocation and system outage probability...[이미지참조] 43

Figure 2.7. System outage probability comparison according to transmit SNR with energy constraints... 48

Figure 2.8. Optimal power (α1*,α3*) and time (t1*,t2*,t3*) allocation and system outage probability...[이미지참조] 49

Figure 2.9. System outage probability according to the maximum user transmission time tU where...[이미지참조] 50

Figure 2.10. System outage probability according to the maximum BS transmission time tB where...[이미지참조] 51

Figure 2.11. System outage probability according to NU's target rates where ρ ＝ 20 ㏈, BdF ＝ RuF ＝...[이미지참조] 52

Figure 2.12. System outage probability according to FU's target rates where ρ ＝ 20 ㏈, RqN ＝ RuN ＝...[이미지참조] 53

Figure 3.1. System model of proposed two-way cooperative (TWC) scheme 56

Figure 3.2. The outage probability comparison between uN, uF, xN, and xF under TWC system where...[이미지참조] 83

Figure 3.3. The outage probability comparison between uN, uF, xN, and xF under OW-CNOMA...[이미지참조] 84

Figure 3.4. Effect of target rate RuF on uplink outage probability where ρ ＝ 20 ㏈, BuN ＝ 0.5...[이미지참조] 85

Figure 3.5. Effect of target rates RuF and RuN on FU's downlink outage performance for TWC and...[이미지참조] 86

Figure 3.6. Effect of the minimum required rate Rd on downlink outage performance for TWC and...[이미지참조] 87

Figure 3.7. Effect of the maximum transmit power ratio ƞ on downlink outage performance for TWC... 88

Figure 3.8. Effect of FU's uplink target rate RuF on uplink expected rate, where ρ ＝ 20 ㏈, RuN ＝ 0.5...[이미지참조] 90

Figure 3.9. Downlink expected rate according to self-interference cancellation capability ζ and uplink... 91

Figure 3.10. Downlink expected rate for TWC and OW-CNOMA according to the maximum transmit... 92

Figure 3.11. System model of the conventional OW-CNOMA scheme 94

초록보기

 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.

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