An orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) is one of the most promising technologies which supports high data rates and various QoS (quality of service) profiles for multiple users imposed on future wireless communication systems. To get an enhanced capacity from the adaptive resource allocation in OFDMA systems, the transmitter needs channel state information (CSI) between the transmitter and receiver. In this thesis, we propose two new limited channel feedback algorithms for SISO (single input single output)- and MIMO (multiple input multiple output)-OFDMA systems, respectively. Firstly, a novel limited channel feedback algorithm for SISO-OFDMA systems is presented. The key idea is to report CSI of relative maximum and minimum points of the channel gain from users to BS. Secondly, an efficient limited channel feedback algorithm designed to improve feedback resource uitlization for MIMO-OFDMA systems is presented. The key idea is to adaptively control the amount of the feedback by considering the channel state information and the system objective function. The simulation results show that the proposed algorithms outperform the conventional limited channel feedback algorithms.
무선통신시스템에서 고속 데이터 전송 수요가 증가하면서 이를 위해 시스템 용량 증가와 Quality-of-Service (QoS) 보장을 위한 무선 자원 관리의 중요성이 대두되고 있다. 특히, 직교주파수분할 다중접속 (OFDMA, Orthogonal Frequency Domain Multiple Access) 방식을 고려한 시스템에서 효율적인 스케쥴링 기법과 부채널 할당 기법들이 많이 연구되어 왔다. 직교주파수분할 다중접속 시스템에서 이러한 여러 기법들을 사용하여 향상된 성능을 얻기 위해서는, 기지국에서 기지국과 사용자 사이의 채널상태정보 (CSI, Channel State Information)를 필수적으로 필요로 하게 된다. 즉, 효율적인 스케쥴링 기법이나 부채널 할당 기법들이 실제적으로 구현 가능하도록, 효율적인 채널 피드백 방식의 개발이 요구된다.
본 논문에서는 직교주파수분할 다중접속 시스템에서의 효율적인 제한적 피드백 방안을 제시한다. 먼저, 단일 안테나 (SISO, Single-Input Single-Output)를 사용하는 직교주파수분할 다중접속 시스템에서는 주파수 자원 (하나의 부반송파나 하나의 부채널)이 각 사용자들에게 할당되며, 각각의 주파수 자원은 한명의 사용자에게 독점적으로 할당되어 진다. 이러한 시스템에서는 기지국과 사용자 사이의 채널 정보 중에서 SNR (Signal-to-Noise-Ratio)단위로 측정된 채널이득을 기반으로 어느 사용자에게 어느 주파수 자원을 할당할지를 결정하게 된다. 반면에, 다중 안테나 (MIMO, Multiple-Input Multiple-Output)를 사용하는 직교주파수분할 다중접속 시스템에서는 다수의 사용자가 한 주파수 자원을 공유하여, 각 주파수 자원을 통해 단일 혹은 다수의 사용자들이 지원을 받게 된다. 한 주파수 자원에서 다수의 사용자를 지원하기 위해, 기지국에서는 프리코딩 (Precoding) 기법을 사용하게 된다. 이러한 프리코딩 기법을 사용하기 위해서, 기지국에서는 필수적으로 채널이득의 형태가 아닌 복소수의 형태를 띄는 실제채널값을 필요로 하게 된다.
사용자가 기지국으로 채널정보를 전달하는 효율적인 방법에 대한 연구의 결과로 여러가지 기법들이 제안되어 왔다. 그 중에도 대표적인 $\emph{Best-M}$ 방식과 $\emph{Threshold-based}$ 방식에 대해 간략히 소개하도록 하겠다. $\emph{Best-M}$ 방식은 가장 높은 SNR값부터 \emph{M}번째로 높은 값들까지에 대한 인덱스와 SNR값을 기지국으로 피드백 하고, $\emph{Threshold-based}$방식은 가장 높은 SNR값을 갖는 부반송파 정보와 함께, 가장 높은 SNR값을 가지는 값으로부터 임계값 안에 들어 있는 모든 주파수 자원에 대한 인덱스와 SNR 값을 기지국에 보고한다. 실제로 Best-M 방식의 경우 WiMAX나 E-UTRA 시스템에서 사용되고 있다.
단일 안테나 직교주파수분할 다중 접속 시스템에서 기존의 기법들은 높은 SNR을 가지는 주파수 자원에 대한 정보만을 피드백하기 때문에, 기지국은 피드백 받지 않은 주파수 자원에 대한 채널정보를 알지 못한다. 이로 인해 피드백 받지 않은 주파수 자원을 효율적으로 사용하지 못해서 생기는 성능저하가 발생한다. 게다가, 기존 기법들의 경우 한 부채널에 속해 있는 부반송파의 수로 정의되는 부채널크기에 민감하다는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 단일 안테나 직교주파 수분할 다중 접속 시스템을 위한 새로운 제안적 피드백 방식을 제안하였다. 우선, 사용자가 측정한 채널이득에서 극대값과 극소값들을 기반으로 선형보간법을 이용하여 모든 주파수 대역에 대한 채널정보를 복원한다. 이 기법을 이용하면, 기존 기법들과 비교해서 적은 피드백 양으로도 성능저하를 상당히 줄일 수 있다.
다중 안테나 직교주파수분할 다중접속 시스템에서는 채널이득의 형태가 아닌 실제채널값이 필요로 되기 때문에, 앞서 제안된 기법을 사용하기 어렵다. $\emph{Best-M}$ 방식의 경우에는 사용자의 채널상태를 고려하지 않고 모든 사용자가 동일한 $\emph{M}$개의 부반송파나 부채널에 대한 정보를 피드백하기 때문에, 피드백자원활용 측면에서 비효율적이라는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해, 사용자들의 채널상태와 시스템의 목적을 고려하여 각 사용자가 적절한 M개의 부반송파나 부채널에 대한 정보를 피드백하는 방식을 제안하였다. 이 기법을 이용하면, 기존 기법들과 같은 성능을 유지하면서도 채널상태가 좋지 않은 사용자들에게 피드백 부담을 줄여주는 효과를 가져온다.