In this thesis, we deal with the user selection schemes for the downlink multiuser MIMO systems with codebook based procoding schemes.
In multiuser MIMO system, active users who share the spectral resources experience the inter-user interference. It is generally assumed that each user does not cooperate to each other. Therefore, it is required that the base station eliminates the interference using the precoding techniques such as dirty paper coding (DPC), channel inversion, vector perturbation, and so on. In general, the base station apply the precoding schemes based on the downlink channel state information (CSI). Although the perfect CSI guarantees the good performance, for example, the DPC can acquire the theoretical sum-capacity of the multiuser MIMO systems, the feedback overhead wastes the uplink resources. Thus, the limited feedback schemes have been researched. In addition, it is an important procedure to select the users group of which the users at least interfere to each other.
Per user unitary rate control (PU2RC) and semi-orthogonal user selection are well known schemes to support the user selection of the multiuser MIMO with the codebook based precoding. They guarantee to minimize the inter-user interference using the orthogonal or semi-orthogonal codeword grouping and orthogonal precoding (channel inversion). After briefly examining two algorithms, we shows that these systems have limitations in performance of sum-capacity and average BER. We also explain the the trade off between the codebook size and the channel quantization error which degrades the performance of channel inversion precoding. As the larger size codebook makes the less quantization error, the performance of system is improve using it. However, when the number of total users who request the service is less than the codebook size, the base station does not efficiently use the spatial resources. That is, there is capacity loss in the large codebook with the referential schemes regardless of the code diversity.
We propose two kinds of user selection techniques to overcome the limitations of codebook based precoding techniques. One is to improve the sum-capacity when the number of total users who request the service is less than the codebook size. Thus, feedback information retransmission and adaptive feedback algorithms have been introduced. Although these algorithms require the additional feedback information, feedback information retransmission algorithm considerably increase the sum-capacity and the number of active users. Also, the adaptive feedback algorithm does as if there is the more number of total users than the actual number of total users. Second kind of user selection scheme is to improve the average BER using the BEP based user selection scheme. The simulation results show the remarkable improvement of the average BER performance comparing to the PU2RC. Although this algorithm improves the average BER performance of the system, it prefers to reduce the sum-capacity and the number of active users. Therefore, we have suggested the modified algorithm to satisfy the both average BER and the number of active users. The simulation results have showed the trade off the performance between the average BER and the number of active users.
본 논문은 코드북 기반 프리코딩을 적용한 다중 사용자 다중 안테나 시스템 (MIMO)의 사용자 선택 방식에 관한 것이다.
다중 사용자 다중 안테나 시스템은 차세대 이동통신이 요구하는 높은 전송률과 품질 향상을 달성하기 최근 활발히 연구 되어 왔다. 그러나 일반적으로 이 시스템에서 기지국에게 서비스를 요청한 사용자들은 서로 정보를 주고 받으며 상호 협력을 하지 않기 때문에, 기지국으로부터 같은 시간 및 주파수 자원을 통하여 신호를 받은 사용자들은 서로 간섭을 일으키지만 사용자가 이를 제거할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 기지국이 신호를 전송하기 전에 프리코딩 기법을 통하여 제거를 한다. 기지국이 프리코딩을 하기 위해서는 하향 링크 (downlink)에 대한 채널 정보를 알고 있어야 한다. 이는 상향 링크 (uplink)의 자원을 낭비하게 되므로, 사용자는 제한적 피드백 (feedback) 방식을 사용할 수 있다. 본 논문에서는 코드북을 이용해 사용자의 채널을 양자화 (quantization)하는 제한적 피드백 방식을 적용한 시스템에 대하여 논한다.
다중 사용자 다중 안테나 시스템은 사용자 선택을 통하여 추가적인 다이버시티 (diversity) 이득을 얻을 수 있으므로, 사용자 선택 기법이 매우 중요하다. Per user unitary rate conrol (PU2RC)와 반직교 사용자 선택 (semi-orthogonal user selection) 방식은 코드북 기반 시스템을 위한 것이다. 이 두가지 방식은 사용자간 간섭을 최소화 하도록 기지국은 서로 직교 (orthogonal) 혹은 반직교 (semi-orthogonal) 하는 코드들을 갖는 사용자들을 선택하여, 채널 용량 합 (sum-capacity)이 최대가 되도록 한다. 그러나 두 방식의 경우 코드북 크기와 전체 서비스 요청자 수에 따른 채널 용량 합의 손실과 비트오류율 성능 열화라는 두 가지 단점이 있다. 코드북 크기가 클 수록 사용자는 양자화 오류가 적은, 즉 사용자간 간섭이 적은 코드를 찾을 수 있지만 전체 요청자 수가 코드북 크기보다 작은 경우 공간 자원을 충분히 활용하지 못한다. 또한 채널 용량 합을 최대가 되도록 사용자 집합을 선택하기 때문에 비트오류율 성능이 좋지 않다.
따라서 본 논문에서는 위의 두 가지 단점들을 보완할 수 있는 사용자 선택 방식을 제안하였다. 우선 코드북 크기가 전체 요청자 수보다 작은 경우 채널 용량 합을 향상시키기 위하여 피드백 정보 재전송 (feedback information transmission)과 적응적 피드백 (adaptive feedback) 방식을 제안하였다. 피드백 정보 재전송의 경우 약간의 지연이 있긴 하지만, 전체 요청자 수가 수 명으로 매우 적은 경우에도 채널 용량 합 및 선택된 사용자 수를 기지국이 지원할 수 있는 최대 전송자 수만큼 향상 시킬 수 있다. 그리고 적응적 피드백 방식의 경우 사용자의 채널에 따라 추가적인 피드백 정보를 통하여 기지국은 실제 요청자보다 더 많은 요청자가 있는 것처럼 채널 용량 합의 증가를 얻을 수 있다. 다음은 비트 오류율 기반 사용 방식으로서 이는 기존의 방식들에 비하여 향상된 비트 오류율 성능을 얻을 수 있다. 그러나 이 방식의 경우 기지국이 서비스를 받는 사용자 수를 줄이려는 경향이 있으므로 비트 오류율과 선택된 사용자 수에 경계 값을 지정하여 사용자를 선택하면 두 경우를 만족시킬 수 있는 성능을 얻을 수 있다. 모의 실험을 통하여 두 방식에 대한 성능을 기존 방식과 비교하였다.
