In this dissertation, we introduce the joint beamforming algorithms to solve the non-convex problem of sum rate maximization in full-duplex (FD) multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems. In the FD transmission of the multiuser network, there are a self-interference (SI) signal in which the downlink signal of the base station (BS) is received by itself and a co-channel interference (CCI) signal in which the transmitted signal of the uplink user is received by the downlink user. Since SI and CCI are coupled in FD transmission, beamforming vectors for uplink and downlink multiuser are required to be jointly designed. However, objective of the joint optimization problem is non-convex and hard to solve due to the coupled effect. To properly address the coupled design issue, we reformulate the problem into an equivalent dual uplink channel problem, using uplink and downlink duality known as MAC-BC duality. Although the equivalent optimization problem is still non-convex, we propose two algorithms based on iterative method to solve the simplified problem. Minorization-maximization (MM) algorithm allows us to apply the approach which makes an affine approximation for non-convex objective function using the first-order approximation. To avoid performance degradation resulting from the approximation, we also devise an alternating algorithm based on iterative water-filling (IWF) without any approximation to the objective function. We prove that alternating IWF algorithm provides better performance of sum rate and lower computational complexity than MM algorithm by numerical results. Furthermore, we develop the precoder design algorithm which can provide the optimal beamforming vector and the SI pre-suppression vector simultaneously. Finally, we show that the FD transceiver structure is simplified by using the proposed precoder and the maximum sum rate of FD MU-MIMO network is improved.
본 논문에서는 전이중 다중사용자 다중안테나 시스템의 전체 전송률 최대화를 위한 공동 빔형성 기법을 소개한다. 다중사용자 환경의 전이중 전송에서는 기지국의 하향링크 전송신호가 자기 자신에게 수신되어 상향링크 전송 신호에 간섭으로 작용하는 자기간섭 신호가 존재하고, 상향링크 사용자의 전송신호가 하향링크 사용자의 수신신호에 간섭으로 작용하는 동일채널간섭 신호가 존재한다. 자기간섭 신호와 동일채널간섭 신호가 각각 상향링크 채널과 하향 링크 채널에 서로 간섭 영향을 주기 때문에, 상향링크와 하향링크의 빔형성 벡터를 공동으로 고려해야한다. 그러나 공동 최적화 문제는 비볼록 문제이고 서로 영향을 미치기 때문에 해결하기가 어렵다. 문제를 해결하기 위해 우리는 채널 쌍대성을 이용하여 하향링크 채널을 쌍대 상향링크 채널로 변환하여 등가 모델로 간소화 할 수 있다. 비록 변환된 등가 채널의 최적화 문제는 여전히 비볼록 문제지만, 변환을 통해 간단해진 구조에서 문제를 해결하기 위한 두 가지의 반복 빔형성 기법을 제안한다. 최소-최대화 기법은 비볼록 목적함수를 1차 근사화를 적용하여 볼록 함수로 변환하고 이를 최적화 기법을 이용하여 해결하도록 한다. 그러나 최소-최대화 기법은 근사화와 최적화 해결 과정의 복잡도 문제가 존재한다. 이에 따른 성능 감소를 줄이기 위한 방법으로 반복 워터필링 기반의 빔형성 기법을 제안한다. 성능 분석 결과로부터 제안하는 반복 워터필링 기법이 최소-최대화 기법에 비해 높은 전송률과 낮은 복잡도를 얻을 수 있음을 보인다. 추가적으로, 공동 빔형성 기법과 함께 자기간섭 제거가 가능한 전이중 송수신 구조와 프리코더 설계 방법을 제안한다. 기존의 자기간섭 제거를 위한 자기간섭 재생성기를 대신하여 송신단에서 자기간섭 영향을 미리 제거하기 위한 프리코딩 벡터를 추가한다. 최종적으로 제안 기법을 이용하여 전이중 전송 시스템의 구조를 간소화 할 수 있고, 실험 결과를 통해 기존 연구에 비해 제안하는 기법에서 전이중 다중사용자 시스템의 최대 전송률 향상이 있음을 보인다.
