In thesis, we investigate beamformer design based on non-linear recption in MIMO downlink system for next wireless communication system. This thesis consists of three parts and its contents as follows.
In the first part of the thesis, an efficient transmit beam design and user scheduling method are proposed for multi-user (MU) multiple-input single-output (MISO) non-orthogonal multiple access(NOMA) downlink, based on Pareto-optimality. The proposed beam design and user scheduling method groups simultaneously-served users into multiple clusters with practical two users in each cluster, and then applies spatical zero-forcing (ZF) across clusters to control inter-cluster interference (ICI) and Pareto-optimal beam design with successive interference cancellation (SIC) to two users in each cluster to remove interference to strong users and leverage signal-to-interference-plus-noise ratios (SINRs) of interference-experiencing weak users. The proposed method has flexibility to control the rates of strong and weak users and numerical results show that the proposed method yields good performance.
In the second part of the thesis, a new transceiver architecture for K-user multiple-input singleoutput (MISO) broadcast channels (BCs) based on linear and non-linear mixture reception is proposed as an alternative to conventional fully linear zeroforcing (ZF) downlink beamforming. In the new transceiver architecture, some closely-aligned users are grouped, and sequential superposition coding and non-linear successive cancellation (SIC) reception based on Pareto-optimal design is applied toeach users in group to mitigate the performance degradation of fully linear beamforming due to high interference caused by closely aligned channel vectors, while ZF beamforming is maintained across roughly-orthogonal other groups. we prove that the proposed new transceiver design architercture increase diversity order for K-user MISO broadcast channels drastically. Numerical results show that the proposed new architecture yields non-trivial gain over conventional full ZF beamforming.
In the last part of the thesis, adaptive training beam sequence design for efficient channel estimation in large millimeter-wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) channels is considered. By exploiting the sparsity in large mmWave MIMO channels and imposing a Markovian random walk assumption on the movement of the receiver and reflection clusters, the adaptive training beam sequence design and channel estimation problem is formulated as a partially observable Markov decision process (POMDP) problem that finds non-zero bins in a two-dimensional grid. Under the proposed POMDP framework, optimal and suboptimal adaptive training beam sequence design policies are derived. Furthermore,a very fast suboptimal greedy algorithm is developed based on a newly proposed reduced sufficient statistic to make the computational complexity of the proposed algorithm low to a level for practical implementation. Numerical results are provided to evaluate the performance of the proposed training beam design method. Numerical results show that the proposed training beam sequence design algorithms yield good performance.
본 학위논문에서는 차세대 무선통신 시스템을 위한 다중입력 다중출력 (MIMO) 하향 링크 시스템에서의 비선형 기의 빔포머 설계 방법을 고려한다.
학위논문의 첫 번째 부분에서는 다중 사용자 다중입력 다중출력 (MU-MISO) 비직교 다중 접속 하향링크에서의 파레토 최적 기반의 효율적인 빔 형성 기법과 사용자 스케줄링 방법이 제안된다. 제안된 빔 형성 기법과 사용자 스케줄링 방법에서는 동시에 지원되는 사용자들을 여러 클러스터로 분배하고, 하나의 클러스에는 현실적으로 두 명의 사용자를 고려한다. 그리고 클러스타 간에는 공간적 제로포싱을 사용하여 클러스터 간 간섭을 제어하고 각 클러스터 안의 두 명의 사용자에게는 채널이 좋은 사용자는 간섭을 제거하고 채널이 좋지 않은 사용자는 간섭을 겪지만 신호 대비 간섭 및 잡음의 비를 보장해줄 수 있는 successive interfernece cancellation을 고려하는 파레토 최적의 빔 설계를 적용한다. 제안된 방법은 채널이 좋은 사용자와 채널이 좋지 않은 사용자들 간의 전송량을 조절 할 수 있는 유연성을 갖고 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 좋은 성능을 갖는 것을 보인다.
두 번째 부분에서는 K 명의 다중입력 단일출력 브로드캐스트 채널에서 기존의 선형 제로포싱 빔포밍 기법을 대체 할 수 있는 대안으로써 선형과 비선형 수신기법이 혼합되어 사용되는 새로운 송수신 구조가 제안된다. 새롭게 제안된 송수신 구조에서는 몇몇의 직교성이 낮은 채널 벡터들을 갖는 사용자들의 그룹을 만들어 파레토 최적의 빔 기반의 superposition coding과 비선형적 successive interference cancellation 기법을 적용함으로써 기존 제로포싱 기법을 적용하였을 경우 생기는 성능 저하를 극복 할 수 있다. 또한 본 연구를 통해서 제안된 송수신 구조가 K 명의 브로드캐스트 채널에서 획기적으로 diversity order를 증가 시키는 것을 증명하였다. 또한 시뮬레이션 결과는 제안된 송수신 구조와 사용자 그룹핑 기법, 빔형성 기법등이 제로포싱 빔포밍에 비해 outage probability 측면에서 큰 이득을 얻는 것을 보이고, 이론적인 결과와도 잘 맞아 떨어지는 것을 볼 수 있다.
마지막으로, 많은 수의 안테나를 갖는 밀리미터파 다중입력 다중출력 채널에서의 효율적인 채널 추정을 위한 적응적 트레이닝 빔 시퀀스 설계가 고려되었다. 밀리미터파 다중입력 다중출력 채널의 희소성을 이용하고, 수신기와 반사 클러스터가 Markovian random walk를 따른다는 가정 하에 채널 추정 문제와 적응적 트레이닝 빔 시퀀스 설계 문제가 2 차원의 영이 아닌 값과 위치를 찾는 partially observable Markov decision process(POMDP) 문제로 변하게 된다. 이러한 POMDP 구조하에서, 최적과 준 최적의 적응적 트레이닝 빔 시퀀스 설계 전략이 제안된다. 더불어 실질적인 구현 단계까지 제안된 알고리즘의 계산 복잡도를 낮출 수 있도록 만드는 매우 빠를 준 최적의 이기적 알고리즘이 새롭게 제안된 줄어든 충분 통계를 기반으로 제안되었다. 시뮬레이션 결과는 제안된 트레이닝 빔 시퀀스 빔 설계 방법의 성능을 보여주고 기존 압축 센싱 기반의 밀리미터 파 채널 추정 기법에 비해, 특히 낮은 신호대비 잡음 구간에서, 좋은 성능을 갖는것을 보여준다.
