In this thesis, we investigate user scheduling in large-scale MIMO downlink systems for next wireless communication systems. This thesis consists of three parts and its contents are as follows.
In the first part of the thesis, a new user-scheduling-and-beamforming method is proposed for multi-user massive multiple-input multiple-output (massive MIMO) broadcast channels in the context of two-stage beamforming. The key ideas of the proposed method are 1) to use a set of orthogonal reference beams and construct a double cone around each reference beam to select `nearly-optimal' semi-orthogonal users based only on channel quality indicator (CQI) feedback and 2) to apply post-user-selection beam refinement with zero-forcing beamforming (ZFBF) based on channel state information (CSI) feedback only from the selected users. It is proven that the proposed scheduling-and-beamforming method is asymptotically optimal as the number of users increases. Furthermore, the proposed scheduling-and-beamforming method almost achieves the performance of the existing semi-orthogonal user selection with ZFBF (SUS-ZFBF) that requires full CSI feedback from all users, with significantly reduced feedback overhead which is even less than that required by random beamforming.
In the second part of the thesis, the performance of random beamforming (RBF) and the multi-user (MU) gain in millimeter-wave (mm-wave) MU multiple-input single-output (MISO) downlink systems are analyzed based on the uniform random single-path (UR-SP) channel model suitable for highly directional mm-wave radio propagation channels. It is shown that under the UR-SP channelmodel, RBF achieves linear sum rate scaling with respect to (w.r.t.) the number of transmit antennas and furthermore yields optimal sum rate performance when the number of transmit antennas is large, if the number of users increases linearly w.r.t. the number of transmit antennas. Several beamtraining and user selection methods are investigated to yield insights into themost effective beamforming and scheduling choice for mm-wave MU-MISO in various operating conditions. Simulation results validate our analysis based on asymptotic techniques for finite cases.
In the last part of the thesis, the performance of RBF with partial channel state information feedback is investigated for mm-wave MU-MISO downlink systems under the uniform random multi-path (UR-MP) channel
model. In particular, the required number of users in the cell for RBF to yield linear sum rate scaling with respect to the number of transmit antennas is identified under the UR-MP channel model for different levels of channel sparsity. Then, the problem of user scheduling for MU-MISO downlink is considered when the number of users in the cell is not sufficiently large (sparse user regime) for the system to operate in the identified sufficient user regime. By exploiting the sparsity of mm-wave radio channels, user scheduling algorithms that implement maximal ratio transmit (MRT) beamforming or equal gain combining (EGC) transmit beamforming with reasonable amount of feedback are proposed for the sparse user regime. Our numerical results show that the proposed algorithms yield very good performance in sparse mm-wave channels.
본 학위 논문에서는 차세대 무선통신 시스템을 위한 대규모 다중입출력 하향링크 시스템에서 새로운 사용자 스케줄링 방법을 제안하였고, 이 방법의 다중 사용자 다이버시티 이득을 분석하였다. 본 학위 논문은 세 가지 부분으로 구성되어 있으며, 그 내용은 아래와 같다.
본 학위 논문의 첫번째 부분은, 다중 사용자 대규모 다중 입출력 브로드캐스트 채널에서 새로운 사용자-스케줄링 및 빔포밍 형성 방법을 두 단계 빔형성 방법 구조 하에 제안하였다. 제안한 방법의 핵심방안은 1) 직교 래퍼런스 빔의 집합을 이용하여 채널 품질 지표 (CQI) 피드백을 기반으로 준-직교 사용자를 선택하기 위하여 각 레퍼런스 빔 주위에 더블 고깔을 형성하고 2) 선택된 사용자들로부터 채널 상태정보 (CSI) 피드백을 기반으로 제로포싱 빔형성 방법을 통해 사용자-선택-후 빔 개정 방법을 적용하는 것이다. 제안한 사용자-스케줄링 및 빔포밍 형성 방법은 사용자 수가 증가함에 따라 점근적으로 최적임이 증명되었다. 또한, 제안한 방법은 모든 사용자들로부터 모든 CSI 피드백을 필요로 하는 준-직교 사용자 선택방법(SUS)과 거의 비슷한 성능을 가지면서,부분 CSI 피드백을 기반으로 하는 랜덤 빔포밍과 비슷한 피드백 오버헤드 양을 갖는다.
본 학위 논문의 두번째 부분은, 밀리미터파 다중사용자 다중입력 단일출력 (MU-MISO) 하향링크 시스템에서 랜덤빔포밍의 성능과 다중 사용자 이득을 고 지향성의 밀리미터파 전파 채널 특성에 적합한 균일랜덤 단일경로 (UR-SP) 채널 모델에서 분석하였다. UR-SP 채널 모델에서, 사용자 수가 전송 안테나 수에 선형으로 증가할 때, 랜덤 빔포밍 방법이 선형 합율 스케일링을 도달하는 것을 보였고, 더 나아가서 최적 합 율 성능을 가짐을 밝혔다. 또한, 다양한 동작 조건 내에서 밀리미터파 MU-MISO 시스템을 위한 효율적인 빔 형성과 스케줄링에 관한 통찰을 줄 수 있는 몇 가지 빔 트레이닝 방법과 사용자 선택 방법에 대하여 연구하였다. 점근적 기술에 기반으로 도출한 이론적 결과들이 유한한 경우에 대하여 시뮬레이션하여 전송 안테나의수가 많아짐에 따라 점점 수렴하는 것을 보였다.
본 학위논문의 마지막부분은,부분 CSI 피드백 기반의 RBF의 성능을 밀리미터파 MU-MISO 하향링크 시스템에서 균일 랜덤 다중경로(UR-MP) 채널모델에서 분석하였다. 특별히, 다른채널 희박성 준위에 따른 UR-MP 채널 모델 하에서, RBF가 선형 합 율 성능을 얻기 위해 필요한 전송 안테나의 수에 따른 사용자의 수를 규명하였다. 그리고, 사용자의 수가 충분하지 않은 시스템에서 (즉, 희박 사용자 수 상황) MU-MISO 하향링크를 위한 사용자 스케줄링 문제를 고려하였다. 밀리미터파 채널의 희박한 속성을 이용하여, 최대비율전송 (MRT) 빔형성 또는 평등 이득 결합 (EGC) 전송 빔형성을 적절한 피드백 양으로 설계하는 사용자 스케줄링 방법을 희박한 사용자 수 상황에서 제안하였다. 시뮬레이션 결과에서 제안한 사용자 스케줄링 방법이 밀리미터파 채널에서 매우 좋은 성능을 가짐을보였다.
