This thesis concerns the feasibility of full-duplex large-scale multiple-input-multiple-output (MIMO) cellular systems, and, furthermore, its application, the feasibility of multi-hop millimeter wave (mmWave) wireless self-backhauling with full-duplex small-base stations (S-BSs) is investigated. In Chapter 1, we generally introduce the backgrounds of the thesis, large-scale MIMO or massive MIMO, full-duplex, and mmWave communication. Next, in Chapter 2 and 3, we investigate the feasibility of full-duplex large-scale MIMO system considering two multicell scenarios, non-cooperative and cooperative multicell sys-tems in detail. To elaborate, in Chapter 2, we first derive the analytic model of the ergodic achievable sum-rate for cell-boundary users by considering the non-cooperative multicell system. The model is derived by applying a simple linear filter, i.e., matched filter or zero-forcing filter, to the base-station (BS). In the analytic model, we consider large-scale fading, pilot contamination, transmitter noise and receiver distortion. In addition, to solve critical pilot overhead problem induced by self-interference channel estimation, we propose a pilot transmission scheme – the simultaneous pilot transmission (SPT) – and assess its performance, in terms of the ergodic sum-rate. Then, we obtain the ergodic achievable sum-rate. In Chapter 3, considering the cooperative multicell system, we ob-tain the ergodic achievable sum-rate by reflecting the characteristic of its scenario such as limited front-haul capacity and procedures of channel estimation, as similar as in the second chapter. With all derived results, to investigate the feasibility, we observe the trade-offs between the full- and half-duplex systems, between the SPT and conventional scheme, and between the two multicell scenarios with respect to various system param-eters and environment. In the end, we confirm the tightness of our analytic model and advantages of full-duplex, SPT, and cooperation of BSs in our system model. In Chap-ter 4, in the line with Chapter 2 and 3, we simply investigate it application, which is the multi-hop mmWave wireless self-backhauling system with full-duplex S-BSs. In this application, we investigate the frequency band, sub-6GHz and mmWave band, usage in heterogeneous network, and, furthermore, we show the possible gain of full-duplex S-BSs in multi-hop scenario by deriving the end-to-end (E2E) latency as a performance metric. By reflecting the overhead of channel estimation and data transmission, we show that multi-hop mmWave wireless self-backhauling enables to obtain more gain for certain en-vironment. Furthermore, as the S-BS operates as the full-duplex mode, it brings more gain compared with the half-duplex mode, and the gain becomes larger as the number of hops increase.
In summary, we overall investigate the feasibility of full-duplex large-scale MIMO cellular system, and its application. As a result, we show the possible gain of full-duplex operation by proposing the pilot transmission scheme and deriving the analytic model. Thus, we believe that this thesis enables to provide the guideline of many kinds of fullduplex system.
본 학위논문에서는 셀룰러 통신환경에서의 대용량 안테나 전이중 통신의 실효성에 관한 연구를 진행하고, 더 나아가 그것의 응용에 대한 연구를 하였다. 그것은 멀티홉 밀리미터파 기반의 무선 자가백홀링을 활용하는 스몰셀 기지국에 관한 것이었다. 챕터 1에서는 본 학위 논문의 기본적 배경이론인 대용량 안테나, 전이중 통신, 밀리미터파 통신에 대한 설명을 하며, 챕터 2와 3에서는 두 개의 다중셀 시나리오, 즉, 비협력 다중셀과 협력 다중셀을 고려하여 대용량 안테나의 전이중 통신의 실효성을 분석하였다. 구체적으로 살펴보면, 챕터2에서는 먼저 비협력 다중셀에서의 achievable sum-rate의 분석모델을 구하였는데, 이는 간단한 선형 필터인 matched filter와 zero-forcing filter를 고려하였다. 또한, 대규모 페이딩과 파일럿 오염, 송신기 노이즈, 수신기 왜곡 변수를 고려하였다. 이외에도, 자가 간섭 채널 추정으로 인해 발생하는 파일럿 오버헤드 문제 해결을 위해, 파일럿 전송 기법, simultaneous pilot transmission (SPT)를 제안하고 그 성능을 관찰하였다. 챕터 3에서는 협력셀 시나리오를 고려하였으며, 챕터 2에서 고려한 변수들 이외에 추가로 제한된 프론트홀 용량을 고려하였다. 앞에서 구한 결과를 바탕으로, 우리는 전이중 통신과 반이중 통신, SPT와 기존의 파일럿 전송 방식, 두 협력셀 시나리오에 대해 그 성능을 비교, 분석 하였다. 그 결과, 우리가 계산한 분석적 모델의 높은 정확도와 전이중 통신, SPT, 그리고 기지국간의 협력의 이득을 관찰할 수 있었다. 챕터 2와 3 바탕으로 챕터 4에서는 그것의 응용 모델인 멀티홉 마이크로파 무선 자가백홀링 시스템의 성능을 전이중 통신이 가능한 스몰셀 기지국을 고려하여 분석하였다. 이 때, 이종 네트워크에서의 밀리미터파와 마이크로파의 성능을 end-to-end(E2E) 지연시간 관점에서 분석하였다. 여기서, 채널 추정과 데이터 백홀링에 대한 오버헤드를 고려하여, 멀티홉 밀리미터파 자가 백홀링기반 시스템의 이득을 관찰하였고, 스몰셀 기지국이 전이중 통신을 하면 더 큰 이득을 가져오는 것을 관찰하였다.
결론적으로, 우리는 대용량 안테나 전이중 통신의 성능과 그것의 응용에 대해 실효성을 분석하였다. 그 결과, 분석적 모델과, 파일럿 추정 기법을 제안하였으며, 그 응용에서의 활용가능성을 보였다. 우리는 본 학위논문이 다양한 종류의 전이중 통신 시스템에 가이드라인을 제시해줄 수 있을 것으로 믿는다.
