[논문 리뷰] Optimal Relay Power Allocation for Amplify-and-Forward Relay Networks with Non-linear Power Amplifiers

Chao Zhang, Pinyi Ren외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 30.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 19인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비선형 전력압도기(PA)를 갖는 수신-증폭-전송(AF) 리레이 네트워크를 대상으로 최적의 리레이 전력 할당 방안을 제안한다. 비선형 왜곡을 등가 선형 시스템으로 모델링하기 위해 Bussgang 선형화를 활용하며, 최대비율합성과 전체 전력 제약 조건 하에서의 볼록 최적화 문제를 고려하여 종단 간 신호대임계비(SNR)를 극대화하고, 특히 비선형 왜곡이 지배적인 고-SNR 영역에서 시스템 용량을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we propose an optimal relay power allocation of an Amplify-and-Forward relay networks with non-linear power amplifiers. Based on Bussgang Linearization Theory, we depict the non-linear amplifying process into a linear system, which lets analyzing system performance easier. To obtain spatial diversity, we design a complete practical framework of a non-linear distortion aware receiver. Consider a total relay power constraint, we propose an optimal power allocation scheme to maximum the receiver signal-to-noise ratio. Simulation results show that proposed optimal relay power allocation indeed can improve the system capacity and resist the non-linear distortion. It is also verified that the proposed transmission scheme outperforms other transmission schemes without considering non-linear distortion.

연구 동기 및 목표

• 비선형 전력압도기(PA) 왜곡으로 인한 AF 리레이 네트워크 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 공간 다중성을 최대비율합성으로 구현할 수 있는 비선형 왜곡 인식 수신기 프레임워크를 개발하기 위해.
• 전체 전력 제약 조건 하에서 종단 간 신호대임계비(SNR)를 극대화하기 위한 최적 리레이 전력 할당 문제를 수립하고 해결하기 위해.
• 전력 할당 시 비선형 왜곡을 忽시할 경우 고-SNR 영역에서 특히 열악한 성능을 보임을 입증하기 위해.
• 대칭 및 비대칭 리레이 네트워크에서 기존 전력 할당 전략에 비해 제안된 방법의 우수성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 비선형 PA를 등가 선형 시스템과 추가 왜곡으로 모델링하기 위해 Bussgang 선형화 이론을 활용하여 성능 분석을 가능하게 한다.
• 비선형 왜곡 모델을 통합하고 다중 리레이 링크에서 최대비율합성을 적용함으로써 도착지에서의 등가 수신 SNR를 유도한다.
• 비선형 PA 영향을 고려한 등가 채널 추정 방법을 설계하여 수신기 정확도를 향상시킨다.
• 전체 리레이 전력 제약 조건 하에서 평균 수신 SNR를 극대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 유효 전력 범위 내에서 최적화 문제가 볼록임을 증명하여 라그랑주 승수법를 적용해 최적 해를 도출할 수 있음을 보장한다.
• 통계적 채널 상태 정보를 기반으로 수신기 간 전력 할당을 위한 워터필링 알고리즘을 적용하여 다중성 및 비선형 왜곡 저항성 양측을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 PA 왜곡은 수신-증폭-전송 리레이 네트워크의 성능에 어떤 영향을 미치며, 특히 SNR와 시스템 용량 측면에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 실제 수신기 설계에서 비선형 왜곡을 효과적으로 모델링하고 보완함으로써 공간 다중성을 복구할 수 있는가?
• RQ3 전체 전력 제약 조건 하에서 비선형 PA 영향을 고려하여 종단 간 SNR를 극대화하는 최적 리레이 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 비선형 왜곡을 忽시하는 기존 전력 할당 전략에 비해 제안된 방법은 스펙트럼 효율성과 내성 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 채널 이득이 리레이 간에 크게 다를 수 있는 비대칭 리레이 네트워크에서도 제안된 방법이 성능 우월성을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 최적 전력 할당 방안은 비선형 왜곡을 忽시하는 기존 방법에 비해 특히 고-SNR 영역에서 시스템 용량을 크게 향상시킨다.
• SNR ≥ 18 dB일 경우, 제안된 방법은 일정한 용량을 유지하지만, NLPA-TWF 및 NLPA-EPA는 전력압도기에서 기인한 과도한 비선형 왜곡으로 인해 용량이 감소함을 확인하였다.
• 비대칭 리레이 네트워크에서 전체 SNR 범위에서 제안된 방법은 NLPA-TWF 및 NLPA-EPA를 모두 능가하며 채널 이득 변동에 대한 강건성을 입증하였다.
• 저-SNR 영역에서는 제안된 방법이 NLPA-EPA보다 뚜렷한 용량 격차를 확보하여 비선형 왜곡이 미미할 때조차도 우수한 성능을 보였다.
• 최적화 문제가 유효 전력 범위 내에서 볼록임을 입증하여 라그랑주 승수법를 통해 전역 최적 해를 확보할 수 있었으며, 수렴성과 신뢰성을 보장하였다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 비선형 왜곡에 효과적으로 저항하며, 리레이 전력이 최적 할당될 경우 이상적인 선형 PA 기반 방식(LPA-TWF)의 성능에 근접함을 확인하였다.