The orthogonal random beamforming (ORBF) method, which is a multiuser MIMO scheme with partial channel state information (CSI) in downlink transmission, can achieve the sum capacity proportional to the the number of transmit antennas when the number of users is infinity. However, the performance of the ORBF with the finite number of users is degraded due to the multiuser interference. In this dissertation, we propose efficient power and beam allocation methods to improve the performance of ORBF with finite number of users. In the first and second one, using the magnitude information of effective channel gain, transmit power and beam subset are optimally determined as well as selection of optimal user set. In the third one, ORBF is extended to the multiple receive antennas case and the linear decoders are designed to suppress interference in the mobile receivers.
First, we propose the optimal transmit power allocation method to maximize the sum throughput under total transmit power constraint. In the optimal method, the transmit power allocation and user set selection are jointly determined. A given user set, transmit power to be assigned to each beam is determined using Lagrange multiplier method. In the suboptimal method, transmit power allocation and user set selection are performed separately to reduce the computational complexity. The transmit power is assigned by the iterative power allocation algorithm.
Second, we find the optimal number of random beams by considering the trade-off between spatial multiplexing and multiuser interference. In addition to this, we find the optimal beam subset and user set to obtain the additional selection diversity gain. Moreover, we propose two suboptimal methods to reduce the computational complexity and the feedback overhead of the optimal method.
Finally, we extend the ORBF to the multiple receive antennas case. We find the transmitter precoder and the receiver decoder using the property of orthogonal random beams. The receiver decoder is obtained in the sense of minimizing mean square error (MMSE). It is shown thatthe MMSE weight matrix and SINR values can be expressed as a function of a beam subset. Then each user feeds back beam subset index and rate value. The BS selects user set and the corresponding beam subsets while the beam subset of the selected users are exclusive. We also find the optimal number of simultaneously transmitted users given SNR and the number of total users.
이 논문에서는 다중사용자 다중입출력시스템에서 직교 랜덤 빔포밍의 성능을 개선하기 위한 전력 및 빔 할당기법을 제안하였다.
첫째, 기지국에서 사용자들의 랜덤 빔들의 채널이득의 크기 정보를 이용하여 총 송신전력을 만족시키면서 총 전송율을 최대화하도록 송신 전력과 사용자 집합을 동시에 최적으로 결정하는 방법을 제안하였다. 최적기법의 복잡도를 줄이기 위해 제안한 부최적 기법에서는 사용자 집합 선택과정과 송신 전력할당과정을 분리하여 복잡도를 크게 낮출 수 있었다.
둘째, 기존의 직교 랜덤 빔포밍에서는 사용자의 수가 제한되어 있을 때는 빔의 수가 증가해도 총 전송율이 증가하지 않는다. 제안한 방법에서는 최적의 빔의 수를 찾으면서 최적의 빔의 집합을 찾음으로써 빔 선택 다이버시티를 얻을 수 있으므로 최적의 빔 수, 빔의 집합과 사용자 집합을 동시에 찾는 방안을 제안했다. 부최적 기법에서는 최적기법의 복잡도를 줄이는 방법과 피드백 양을 줄이는 방법을 제안했다.
셋째, 수신 단말의 안테나 수가 다수일 때, 수신단에서 간섭을 제거하기 위한 선형 수신기를 제안하고, 이 때 빔 선택정보를 기지국으로 전송하여 기지국에서는 이 정보를 이용하여 최적의 빔 할당을 하여 성능을 개선할 수 있다는 것을 보였다. 또한 이 경우에도 최적의 동시 전송 사용자 수를 결정하면 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 보였다.
