Channel state information (CSI) is known to play crucial role for downlink transmissions of multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems. To acquire CSI at the base station, feedback from users is necessary. Since the optimal feedback-rate to maximize the total throughput is possibly changed by the channel condition, the conventional equal-sized feedback can be inefficient in MU- MIMO system. Therefore, in this thesis, we first investigate the effect of different-sized feedback-rate and propose the non-cooperative feedback-rate control game for improving total throughput in MU-MIMO system with multiple frequency bands. Based on the game theory, the utility function of each user is defined as the downlink throughput minus a linear price function of the CSI feedback-rate. Moreover, we suggest a simple algorithm to find the proper pricing factors for the proposed game considering multiple users and multiple frequency bands. Simulation results show that the total throughput of the proposed game yields better performance than that of the conventional equal-sized feedback-rate scheme.
With limited available radio resources, system throughput and fairness are usually in conflict with each other, balancing system throughput and fairness with high resource efficiency is necessary. Also, the analysis of feedback-rate allocation considering these two performance measures is needed. Therefore, in this thesis, we also propose the non-cooperative feedback-rate control game for improving throughput fairness in MU-MIMO system. Based on the game theory, the utility function of each user is considered both throughput fairness and total throughput. Moreover, we investigate the existence of the Nash-equilibrium of the proposed game and outage probability in terms of CSI feedback-rate. Simulation results show that the proposed game improves throughput fairness, and thus achieves better outage performance, as compared to the conventional equal-sized feedback scheme.
다중 안테나 시스템에서의 공간 다중화 기법을 통한 채널 용량 증대를 위하여 수신단에서 채널 상태 정보가 요구된다. 일반적으로, 주파수 분활 이중화 방식을 이용하는 기지국의 수신단에서는 채널 상태 정보를 피드백을 통해 얻게 되고, 따라서 불완전한 채널 정보를 얻게 된다. 업링크 채널이 제한된 상황에서 피드백 기법은 성능에 밀접한 관련을 가지고 있고, 제한된 피드백 상황에서의 채널용량, 피드백 효율성, 피드백을 위한 코드북 설계 등에 관련하여 많은 연구들이 진행되고 있다. 하지만 기존의 연구들의 경우, 각 유저들이 동일한 피드백 양을 이용하여 기지국에 자신의 채널 상태 정보를 보내고 있는 시스템으로 연구 되어 졌다.
최적의 피드백 할당은 유저들의 채널 정보와 밀접한 관련이 있기에, 다중 안테나 시스템에서 기존의 각 유저별 동일한 피드백 양 할당은 비효율적일 수 있다. 특히, 다중 주파수 밴드를 지원하는 시스템에서는 통신 네트워크의 throughput을 높이기 위하여 이러한 현상이 더욱 극명히 나타날 수 있다.
본 학위 논문에서는 먼저 다중 주파수, 다중 안테나 시스템에서 유저별 피드백 양의 차이를 통해 얻게 되는 효과를 분석하였다. 그리고 유저별 효율적인 피드백 양을 결정하기 위한 방법으로 비협력 게임이론을 적용하여 피드백 제어 게임을 제안하였다. 제안된 게임을 통해 각 유저들은 자신의 효용 함수를 최대화 시키는 피드백 양을 찾게 되고, 이를 통해 합리적으로 자신의 피드백 양을 결정할 수 있게 된다. 각 유저의 효용은 다운링크 throughput에서 피드백의 선형 패널티 함수를 뺀 함수로 정의한다. 또한 적절한 패널티 값을 찾기 위한 저복잡도 알고리즘을 제안하였다. 이를 통해 효율적인 내쉬 균형을 얻을 수 있다. 실험을 통하여 제안된 피드백 제어 게임을 통해 얻은 피드백 할당 기법이 기존의 피드백 기법보다 throughput을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, throughput fairness를 향상시키기 위한 비협력적 피드백 제어 게임을 제안하였다. 제한된 라디오 가용자원으로 인하여 시스템 throughput과 fairness는 서로 상충되는 경향이 나타나고, 이는 이 두 성능의 trade-off로 보여지게 된다. 따라서, 시스템 throughput과 fairness 사이의 균형은 높은 QoS와 자원 효율을 위해서 필요하다. 이러한 부분들이 제한된 피드백 채널 환경에서 시스템 throughput과 fairness를 고려한 피드백 할당을 연구하게 된 동기가 되었다. 따라서 fairness와 throughput이 모두 고려된 효용함수를 제안하였고, 제안된 게임의 내쉬 균형의 존재를 증명하였다. 그리고, 기존의 outage 성능 분석은 안테나 수에만 초점이 되어 있었지만, 본 논문을 통해 outage 성능이 채널 상태 정보의 관점으로도 해석될 수 있음을 보였다. 실험을 통해 제안된 게임 기법은 total throughput을 기존의 피드백 기법과 비슷한 수준으로 유지시면서, fairness를 향상시킬 수 있음을 보였다. 또한 제안된 게임을 통해 outage 성능도 향상시킴을 확인하였다.
종합적으로, 본 학위 논문은 total throughput 과 throughput fairness 두가지 관점에 대하여 비협력 채널 상태 정보 피드백 제어 게임을 제안하였고, 제안된 기법이 성능 향상에 기여함을 확인하였다.
