Recently, there are a lot of researches for a new mobile generation which is referred to 5G (5th generation mobile networks or 5th generation wireless systems). The requirements for 5G comes from the facts that the growth of global mobile data traffic use is drastically increasing in excess of current demands. It is supposed that 100Gbps for nomadic and low mobility might be the demand for high data rate in new mobile generation. However, it is known that technical development based on 4G, where 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE) approved LTE (Long-Term Evolution), WIMAX, and HSPA+ as 4G technologies, cannot accomplish the goal of new mobile generation because of its non-cooperation characteristic. In this point of view, the cooperative communication technique can be a good solution for the cellular system equipped with muli-input multi-output (MIMO) not only to alleviate the technical limitation of the system but also to solve the potential risk of MIMO. In this dissertation, for the purpose of system performance enhancement, efficient cooperative wireless communication techniques in MIMO system are considered. Specifically, for the purpose of reducing co-channel interference, we investigate efficient transmission techniques under cooperation among cells and a cooperation methodology when considering multi-cells.
Firstly, under cooperation strategy, we investigate a pre-whitening scheme using partial channel state information (CSI) for MIMO cognitive radio(CR) systems. In order to reduce the processing burden and feedback information, we further extend the conventional pre-whitening technique with only the direction information of interference channel (as a partial CSI). First, we decompose the precoding matrix of a conventional pre-whitening scheme, in which full CSI is required, into direction and magnitude components. Then, we propose a precoder by using only the former, which projects the row-space vectors of interference channel onto the scaled null-space vectors. Through mathematical analysis, we show that the proposed scheme can achieve almost the same performance as a conventional pre-whitening scheme in terms of achievable rate, average received interference power, and average Signal-to-Interference Ratio (SIR). We also show that the average received interference power of the proposed pre-whitening scheme is upper bounded by a constant value which is the same as that of the conventional pre-whitening scheme. Furthermore, we quantify the average SIR performance degradation over the conventional pre-whitening scheme by deriving the ratio of the conventional pre-whitening and the proposed pre-whitening scheme, where the number of antennas is a dominant factor. Simulations for the validation of mathematical analysis are carried on with a marginal difference. As a result, we can conclude that the direction information of interference channel can be exclusively used to minimize the effect of interference.
Secondly, we investigate an efficient coordinated beamforming scheme to mitigate the downlink co-channel interference (CCI) from macrocell to femtocells. There has been a good deal of researches about coordinated scheduling/coordinated beamforming (CS/CB) techniques which require channel information via downlink reference signal (RS) to find an optimal beamforming vector to maximize channel gain based on distributed architecture. Conventional CS/CB schemes show that both interfered user`s throughput and average system throughput can be increased. Realizing that the conventional schemes based on downlink RS are not adequate for dense femtocell deployment due to limitation in beamforming searching function, we propose a scheme utilizing uplink sounding reference signal (SRS). The proposed efficient beamforming searching function to maximize downlink system throughput can be shown also to reduce feedback burden compared to conventional schemes since only the approximated combining vectors need to be delivered to an macor BS. Through simulations, it is observed that even though less-effective codebook is applied for low feedback burden, the proposed scheme outperforms others in the downlink spectral efficiency of both femtocells and system as the number of femtocells gets large.
Thirdly, we investigate the coordinated frequency allocation(CFA) based on frequency silencing cycle. At first, we show that cell-edge users exploit more inter-cell interference (ICI) mitigation effect through adaptive frequency silencing operating with precoding matrix index (PMI) coordination. Conventional scheme adopts fixed frequency silencing scheme, namely Soft-fractional frequency reuse (FFR), with PMI coordination. However, still, there is a spectral efficiency degradation problem due to fixed FFR manner for cell-edge users. If coordination of frequency silencing can be managed adaptively, spectral efficiency will be increased. From adaptive frequency silencing manner, there is still problem to decide how frequency silencing should be organized for coordinated BSs and what information should be exchanged to select proper frequency silencing. In proposed scheme, cell-edge users calculate Expected Data Rate Improvement(EDRI) or Total Data Rate Improvement(TDRI) in order for each BSs to check whether to need CFA. After BSs share that information through backhaul, cooperated BSs decide in decentralized manner whether to operate the conventional PMI coordination or a proposed CFA operating with PMI coordination. Simulation results show that sizable cell-edge users and system throughput increment can be realized by CFA.
3GPP LTE (3rd Generation Partnership Project Long-Term Evolution), IEEE(Institute of Electrical \& Electronics Engineers) 802.16 계열에서는 직교 주파수 분할 다중 액세스(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, 이하 OFDMA라 함) 방식을 차세대 이동통신 기술로 선정하였었고, 더불어 MIMO, smart antenna, relay, carrier aggregation등의 최신 기술을 도입하여 기존 4G 이동통신 시스템의 비약적인 기술의 발전을 모색하였다. 하지만 기존 4G 이동 통신 시스템은 2G, 3G 셀룰러 이동통신 시스템과 마찬가지로 비협력 환경을 고려하였고, 기존 셀룰러 이동통신 시스템과 차별화된 고속 데이터 서비스의 제공에만 초점을 맞추었다. 하지만 이러한 환경적 제약은 다가올 5G 이동 통신 시스템에서 목표로 하는 100Gbps 하향 링크 주파수 효율 달성에 크게 문제가 될 수 있음이 최근 연구에서 인식되기 시작하였다. 이에 많은 표준화 단체들은 네트워크 다중 안테나 시스템이 더욱 향상된 전송율을 보장할 수 있는 핵심 기술 중 하나임을 받아들여 이에 대한 많은 연구를 진행하고 있는 실정이다. 본 학위 논문에서는 시스템 성능 개선을 위한 효율적인 협력 무선 통신 기법 연구를 주제로 하여, multiple-input multiple-output (MIMO) 환경에서 간섭 완화를 목적으로 한 협력 통신 기반 효율적인 송신 기법과 셀간 협력 기법에 대해 다루고자 한다.
첫째로, 다중안테나 기반 Cognitive Radio (CR) 환경에서 셀간 협력을 전제로 한 간섭 완화 기법을 제안하였다. 본 연구에서는 Primary와 Secondary 시스템이 서로 동일 주파수를 사용하며 간섭링크에 대한 Channel State Information (CSI)를 서로 공유한다고 가정하였고, 이때 이 채널정보는 시스템간 협력을 통해 서로 공유가 되는 것을 가정하였다. 일반적으로 비협력 MIMO 환경에서는 post-whitening 기법이 수신기에서 spatially correlated된 간섭 채널을 uncorrelate하는 최적의 선형 기법으로 알려져 있다. 이 기법은 비록 수신기의 data rate을 증가시켜 주거나 detection error probability를 줄여줄 수는 없지만 수신기 구현이 간단하다는 장점을 지니고 있다. 하지만 기존 연구를 통해 correlated 간섭 채널을 수신기가 아닌 간섭을 주는 송신기에서 선처리 방식을 취하면 간섭 채널을 uncorrelate 시키는 동시에 간섭을 받는 수신기에서의 간섭량이 줄어들 수 있음이 밝혀 졌다. 이 기법은 pre-whitening기법으로 불리며, 간섭을 주는 간섭원에 적용 시, 간섭을 받는 수신기의 data rate을 크게 증대 시킬 수 있음이 입증 되었다. 이 경우 간섭원으로부터 서비스를 받는 사용자의 용량은 송신 신호의 normalized factor로부터 영향을 받게 되어 줄어들 수 있으나, CR에서는 licensed spectrum에 대한 우선권을 가지는 primary receiver의 서비스 질을 우선시하여야 하기에 이 문제는 크게 고려되지 않는다. 한편 기존 pre-whitening기법의 경우 간섭 링크의 full CSI를 알아야 한다는 전제 조건이 필요하였다. 본 연구에서는 기존의 full CSI를 사용하는 pre-whitening 기법을 null-space 관점에서 재해석하여 direction 정보만을 활용하는 pre-whitening 기법을 제시하였다. 즉 제안 precoder는 간섭 채널의 row-space 벡터들을 scaled null-space 벡터들로 투영하는 방식을 취한다. 수학적 검증을 통하여 Signal-to-Interference Ratio (SIR) rate을 구한 결과 두 기법의 비교에 있어 안테나의 개수가 중요한 factor로 작용을 하며 안테나의 개수가 증가할 경우 두 기법의 성능은 같아 지게 됨을 증명 하였다. 또한 두 기법을 적용 시 간섭량에 대한 upper bound가 constant 값을 가짐을 보였으며 서로 같음을 보였다. 결론적으로 pre-whitening기법에 있어 간섭 채널의 direction정보가 간섭 완화에 있어 매우 중요한 역할을 하며, 안테나 개수가 두 기법의 성능 비교에 있어 중요한 역할을 함을 보였다.
두번째로, 다중안테나 시스템을 갖춘 Macro, 다중 Femto 셀 환경에서 다중 Femto 셀이 Macro셀로부터 간섭을 심각하게 받을 경우, 효율적인 간섭 완화를 위한 셀간 협력 방식 및 송신 기법을 제안하였다. Heterogeneous network (HetNet)에서 기지국간 동일 주파수를 사용할 경우, 심각한 셀간 간섭 문제가 시스템 용량 감소를 야기할 수 있기에 그 동안 셀간 간섭 시나리오 연구 및 간섭 완화 기법이 주목 받아 왔다. 특히 Macro 셀과 Femto 셀간의 간섭 문제에 있어서는 상, 하향 링크에 대한 각각의 접근 방식이 거론될 만큼 환경적인 요소가 중요함이 알려져 왔다. 그 동안 알려진 간섭 문제 해결 방식으로는 파워 조절, 협력 beamforming precoding방식과 같은 접근이 주로 알려져 있었다. 기존의 셀간 협력을 통한 협력 beamforming precoding 방식의 경우 소수의 셀들간 협력만을 고려하였기에 추천 beamforming precoding이나 제한 beamforming precoding 협력 방식들이 효과를 볼 수 있었다. 그러나 다중 Femto 셀이 존재하고 Macro 셀로부터 심각한 간섭 영향을 받을 경우, 기존의 beamforming precoding 협력방식은 Macro 셀에서의 beamforming precoding 찾기 방식에 심각한 제한을 가져올 수 있어 그 효율성이 떨어질 수 있었다. 본 연구에서는 Sounding Reference Signal (SRS) 를 활용하여 전체 시스템의 용량을 최대화하는 효율적인 Macro셀의 beamforming precoding 찾기 방식을 제안 하였다. 즉 Femto 셀들로부터 전송된 SRS 신호를 Macro 셀이 듣게 되어 간섭 채널과 자신의 desired 채널을 알게 되면, 제안된 beamforming precoding 찾기 방식에는 Femto 셀이 사용할 combining vector 정보만이 필요로 하게 된다. 따라서 셀간 협력을 통해 Femto 셀에서는 추정된 combining vector index를 Macro 셀로 전송하도록 하고 제안된 beamforming precoding 찾기 방식이 이 정보를 활용하도록 하면 기존 기법의 문제점인 찾기 제한을 없애는 동시에 시스템 성능의 개선이 가능하도록 만들 수 있었다. 제안 기법을 적용 시, 전체적으로 시스템 협력 메시지인 셀간 피드백량이 줄어들 뿐만 아니라, 다수의 Femto 셀 환경에서 기존 협력 방식보다 시스템 용량을 더욱 증대 시킬 수 있음을 시뮬레이션 결과 확인 할 수 있었다.
세번째로, 미리 정의된 주파수 사용 패턴을 기반으로 한 협력 주파수 할당방식을 제안하였다. 기존의 프리코딩 매트릭스 인덱스를 기반으로하는 협력 통신 방식은 인접 간섭량을 줄이기위한 핵심 협력 정보로 활용되었다. 하지만 간단한 시뮬레이션을 통해 협력 셀들이 모두 주파수를 사용하는 환경에서 기존 프리코딩 매트릭스 인덱스를 기반으로 하는 방식을 적용하는 경우보다, 일부 셀이 주파수 사용을 안함으로써 간섭을 없애는 방식이 더 효율적인 경우가 있음을 발견하였다. 즉, 간섭이 심한 환경에서는 심한 간섭을 유발하는 셀의 주파수 사용을 제한함으로써 얻는 이득이 더 크다. 이에 착안하여, 본 연구에서는 주파수 재활용 방식을 제고하여 주파수 사용 패턴을 디자인하고, 각 패턴의 데이터율 증분값을 계산하여 시스템에 적용하는 방식을 고안하였다. 이 방식을 적용하기 위해서는 평균 데이터율 증분값과 총 데이터율 증분값을 협력방식에 동참하는 기지국들이 각각 계산하여 서로 교환하는 절차가 필요함을 보였으며, 제안 방식을 적용식 셀 경계 사용자의 성능을 크게 향상 시킬 수 있음을 시뮬레이션 결과 확인 할 수 있었다.
