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Joint Base Station and Relay Precoder Design with Relay Local Channel State Information for Multi-relay Aided Multi-user All-MIMO System

다중 릴레이, 다중 사용자 All-MIMO 시스템에서 릴레이 지역 채널 정보를 사용한 기지국 및 릴레이 전처리기 공동 설계 기법

  • 조영민 (연세대학교 전기전자공학과 이동통신 연구실) ;
  • 장승훈 (삼성전자 네트워크 사업부) ;
  • 김동구 (연세대학교 전기전자공학과 이동통신 연구실)
  • Received : 2012.01.31
  • Accepted : 2012.05.11
  • Published : 2012.06.30

Abstract

In this paper, we propose a joint base station(BS) and relay precoders design in multi-relay aided multi-user all-multiple-input multiple-output(MIMO) system. The design criterion is to minimize user sum mean square error(SMSE) with relay sum power constraint(RSPC) where only local channel state information(CSI)s are available at relays. Local CSI at a relay is defined as the CSI of the channel which the relay itself accesses, out of among all the 1st hop and the 2nd hop channel in the system. With BS precoder structure which is concatenated with block diagonalization(BD) precoder, each relay can determine its own precoder using only local CSI. Proposed scheme is based on sequential iteration of two stages; stage 1 determines BS precoder and relay precoders jointly with SMSE duality, and stage 2 determines user receivers. Proposed scheme can be demonstrated theoretically to be always converge. We verify that proposed scheme outperforms simple amplify-and-forward(SAF), MMSE relay, and proposed schemes in [1] in terms of both SMSE and sum-rate performances.

본 논문에서는 다중 릴레이와 다중 사용자가 존재하고, 모든 노드에 다중 안테나가 탑재된 시스템에서 기지국, 릴레이 전처리기 공동 설계 기법을 제안한다. 설계 기준은 릴레이가 각자의 지역 채널 정보만 취할 수 있고, 전체 릴레이 합 전력 제약 환경일 때, 사용자 평균 자승 오류의 합(sum mean square error, SMSE)을 최소화하는 것이다. 한 릴레이의 지역 채널 정보는, 시스템의 모든 첫 번째 홉 및 두 번째 홉 채널 중에서, 그 릴레이 자신이 접속된 채널의 정보로 정의된다. 블록 대각화 전처리기가 연결된 기지국 전처리기 구조를 사용하면, 각 릴레이가 지역 채널 정보만을 활용하여 자신의 전처리기 구조를 결정할 수 있다. 제안 하는 기법은 SMSE 쌍대성을 사용하여 기지국 전처리기와 릴레이 전처리기를 결정하는 1단계 및 사용자 수신 필터를 결정하는 2단계의 순차적 반복을 기반으로 한다. 제안한 기법은 반드시 수렴하며, 이론적으로 이를 검증할 수 있다. 제안하는 기법이 Simple amplify-and-forward(SAF), MMSE 릴레이 및 [1]에서 제안한 방식에 비해서 SMSE 성능, 합 전송률 성능 모두 우월한 것을 확인한다.

Keywords

References

  1. Y.-M. Cho, S. Jang, D. K. Kim, and J. Yang, "Minimum sum-mse design for distributed multi-relay aided multi-user MIMO network," in Proc IEEE MWSCAS., Aug. 2011.
  2. K. Load, C. C. Wu, S. T. Sheu, Y. Yuan, M. Chion, D. Huo, and L. Xu, "IMT-advanced relay channels, " IEEE Communication Magazine, vol. 48, no. 8, pp. 40-48, 2010.
  3. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, "Cooperative diversity in wireless networks: efficient protocols and outage behavior, " IEEEE Trans. Inform., vol. 50, no. 12, pp. 3062-3080, Dec. 2004. https://doi.org/10.1109/TIT.2004.838089
  4. O. Munoz-Medina, J. Vidal, and A. Agustinm, "Linear transceiver design in nonregenerative relays with channel state information, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 55, no. 6, pp. 2593-2604, Feb. 2008.
  5. W. Guan and H. Luo, "Joint MMSE transceiver design in non-regenerative MIMO relay systems, " IEEE Comm. Lett., vol. 12, no. 7, pp. 517-519, Jul. 2008. https://doi.org/10.1109/LCOMM.2008.080339
  6. R. Mo and Y. H. Chew, "MMSE-based joint source and relay precoding design for amplify-and-forward MIMO relay networks, " IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 8, no. 9, pp. 4668-4676, Sep. 2009. https://doi.org/10.1109/TWC.2009.081294
  7. Y. Rong, "MMSE-based non-regenerative multicarrier MIMO wireless relay communications with direct source-destination link, " in Proc IEEE ICC., Jun. 2009.
  8. C. Chae, T. Tang, R. W. Heath, and S. Cho, "MIMO relaying with linear processing for multiuser transmission in fixed relay networks, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 2, pp. 727-738, Feb. 2008. https://doi.org/10.1109/TSP.2007.907821
  9. R. Zhang, C. C. Chai, and Y. Liangm, "Joint beamforming and power control for multiantenna relay broadcast channel with QoS constraints, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 57, no. 2, pp. 726-737, Feb. 2009. https://doi.org/10.1109/TSP.2008.2008254
  10. S. Jang, J. Yang, and D. K. Kim, "Minimum MSE design for multiuser MIMO relay system, " IEEE Comm. Lett., vol. 14, no. 9, pp. 812-814, Sep. 2010. https://doi.org/10.1109/LCOMM.2010.072610.100583
  11. H. Shi, T. Abe, T. Asai, and H. Yoshino, "Relaying schemes using matrix triangularization for MIMO wireless networks," IEEE Comm. Lett., vol. 55, no. 9, pp. 1683-1688, Sep. 2007. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2007.904356
  12. A. S. Behbahani, R. Merched, and A. M. Eltawil, "Optimizations of a MIMO relay network, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 10, pp. 5062-5073, Oct. 2008. https://doi.org/10.1109/TSP.2008.929120
  13. O. Oyman and A. J. Paulraj, "Design and analysis of linear distributed MIMO relaying algorithms, " IEE Proc. Commun., vol. 153, no. 4, pp. 565-572, Aug. 2006. https://doi.org/10.1049/ip-com:20050406
  14. B. K. Chalise and L. Vandendorpe, "Optimization of MIMO relays for multipoint-to-multipoint communications: nonrobust and robust designs, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 58, no. 12, pp. 6355-6368, Oct. 2008.
  15. Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, "Zero-forcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing in Multiuser Channels, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 52, no. 2, pp. 461-471, Feb. 2004. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.821107
  16. R. Hunger, M. Joham, and W. Utschick, "On the MSE-duality of the broadcast channel and the multiple access channel, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 57, no. 2, pp. 698-713, Feb. 2009. https://doi.org/10.1109/TSP.2008.2008253
  17. D. P. Palomar, J. M. Cioffi, and M. A. Lagunas, "Joint tx-rx beamforming design for multicarrier MIMO channels: a unified framework for convex optimization, " IEEE Trans. Signal Process., vol. 51, no. 9, pp. 2381-2401, Sep. 2003. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.815393
  18. C. M. Yetis, G. Tiangao, S. A. Jafar, and A. H. Kayran, "Feasibility conditions for interference alignment, " in Proc IEEE Globecom 2009., Dec. 2012.