Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) is a well known technique to increase the capacity of wireless communication links, providing additional degrees of freedom in space domain. However, it has been found that several practical problems impose restrictions on MIMO capacity, such as high correlated antennas and the limited number of antennas at the mobile station. Recently, as a solution to cope with such drawbacks, multiuser MIMO (MU-MIMO) techniques have been intensively studied and implemented in both the academic and industrial field, in which a common base station having multiple antennas communicates with multiple mobile stations, each with multiple antennas. In this thesis, we propose several high data rate algorithms for the downlink of MU-MIMO systems.
First, we propose a new random beamforming scheme that exploits multiuser diversity efficiently. Random beamforming is a unitary precoding scheme, which requires only the feedback of downlink channel quality indication. While the conventional random beamforming for MIMO systems assigns the whole spatial layers to the user with maximal MIMO capacity, the proposed scheme assigns the spatial layers to multiple users, each of the spatial layers assigned to the user who benefits the most from the corresponding spatial layer, and thus exploits multiuser diversity efficiently. Simulation results show that the proposed scheme achieves higher capacity than the conventional scheme.
Next, we propose a jointly optimized transmit and receive beamforming with reduced overhead. Jointly optimized transmit and receive beamforming, also called coordinated beamforming, is a non-unitary precoding scheme whose transmit beamforming and receive beamforming are optimized jointly based on the channel state information. In the proposed scheme, the orthogonal property among effective channels seen at each user is exploited to reduce the pilot overhead or the control channel overhead, when training users about the receive beamforming. While the conventional scheme requires as much overhead as the number of users, the proposed scheme requires fixed and less overhead. Also, the proposed scheme removes the iterative algorithm that is necessary for the conventional scheme. Simulation results show that the proposed scheme achieves higher capacity. Especially, the capacity improvement increases as the number of users is larger.
Finally, we propose a generalized vector perturbation scheme that is optimal in the sense of minimum mean square error (MSE). Vector perturbation is a nonlinear precoding scheme which was first devised only for single antenna receivers. In the proposed scheme, first we generalize the vector perturbation by applying the jointly optimized transmit and receive beamforming. After then, we introduce a non-integer valued perturbation that is supposed to be added to the data before precoding at the transmitter. Regarding the anticipated remaining perturbation after modulo operation at the receiver as the co-channel interference, we derive the optimal perturbation that minimizes the MSE. It is shown that the proposed scheme converges to the transmit matched filter and conventional zero-forcing vector perturbation at low and high signal to noise ratios (SNRs), respectively. Simulation results show that the proposed scheme outperforms the conventional schemes in the practical range of SNRs.
다중안테나(MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) 기술은 무선 통신 시스템에서 공간 영역의 자유도(degree of freedom)를 제공함으로써 통신용량을 극대화할 수 있는 기술로 알려져 있다. 최근에는 높은 통신용량을 달성하면서 기지국 안테나간의 상관도 문제와 단말의 안테나 개수 제한 문제를 극복하는 방안으로서 다중사용자 다중안테나(MU-MIMO: Multiuser MIMO) 기술이 활발하게 연구되고 있다. MU-MIMO 기술은 한 기지국이 동일한 주파수-시간 자원을 통해 동시에 여러 단말과 데이터를 송수신하는 기술로서, 특히 MU-MIMO 시스템의 하향링크 기술은 최근 진행 중인 IEEE 802.16m, 3GPP LTE (3rd Generation Partnership Project Long-Term Evolution) 등의 국제 무선 통신 시스템 규격에서 이슈화되고 있다. 본 논문에서는 다중사용자 다중안테나 시스템의 하향링크 성능 개선을 위한 몇 가지의 알고리즘을 제안한다.
첫 번째로 다중안테나 시스템에서 효과적으로 다중사용자 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 랜덤 빔포밍(random beamforming) 기술을 제안한다. 랜덤 빔포밍 기술은 무작위로 형성된 송신 빔포밍에 대해 단말로부터 CQI (Channel Quality Indication)를 피드백 받아 채널품질이 우수한 단말에게 채널을 할당하는 방안으로서, 기존 기법에서는 단일 사용자 기준의 MIMO 채널용량이 높은 단말에 우선 순위를 두었다. 반면, 제안하는 기법은 최소평균제곱오차(MMSE: Minimum Mean Square Error) 수신기를 가정하고 공간 층 (spatial layer) 별로 CQI를 산출하여 피드백 시킴으로써, 다중사용자 다이버시티 이득을 효과적으로 얻을 수 있다. 모의 실험을 통해 제안 기법이 기존 기법보다 높은 채널용량을 얻는 것을 확인할 수 있다.
두 번째로 파일럿(pilot) 오버헤드 및 제어채널 오버헤드를 감소시킨 선형 송수신 결합 빔포밍(linear joint transmit receive beamforming) 기술을 제안한다. 선형 송수신 결합 빔포밍 기술은 송신 빔포밍과 수신 빔포밍을 함께 최적화함으로써 보다 향상된 채널 이득을 지원하는 MU-MIMO 기술이다. 제안하는 기법에서는 단말에서 바라본 유효채널들간의 직교성(orthogonal property)을 이용함으로써 적은 양의 파일럿 오버헤드 또는 제어채널 오버헤드를 통해 기지국이 단말에 효과적으로 수신 빔포밍 정보를 전달하고 데이터를 송수신할 수 있다. 기존 기법에서는 단말의 수에 따라 오버헤드가 증가하는 반면, 제안하는 기법은 단말의 수에 관계없이 고정된 오버헤드를 갖는다. 또한 제안 기법은 기존 기법과는 달리 반복 알고리즘(iterative algorithm)을 필요로 하지 않는다. 모의 실험을 통해 제안 기법이 기존 기법보다 높은 채널 용량을 얻으며, 특히 단말의 수가 클수록 용량 개선 정도가 커지는 것을 확인할 수 있다.
마지막으로 평균제곱오차를 최소화하는 일반화된 벡터 퍼터베이션 (vector perturbation) 기술을 제안한다. 벡터 퍼터베이션은 비선형 방식의 MU-MIMO 기술로서 단말은 하나의 안테나를 갖는 것을 가정하고 모듈로 연산(modulo operation)을 통해 데이터를 검파한다. 제안하는 기법에서는 선형 송수신 결합 빔포밍 기술을 적용함으로써 벡터 퍼터베이션 기법을 다중 수신안테나 단말에 맞도록 일반화하고, 특히 모듈로 연산 이후에 남는 퍼터베이션 성분을 간섭으로 간주하여 평균제곱오차를 최소화하는 퍼터베이션 성분을 도출, 평균제곱오차 최소화 관점에서 최적의 벡터 퍼터베이션 기법을 유도한다. 모의 실험을 통해 제안 기법이 모든 신호 대 잡음 비 (SNR: Signal to Noise Ratio) 구간에서 기존 기법 대비 높은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.