Non-orthogonal multiple access (NOMA) is one of the promising technology for next 5G communication systems. The key of NOMA is serving multiple users based on power domain multiple access using superposition coding and successive interference cancellation (SIC) over the orthogonal resource block assumption. Due to the characteristics of NOMA including SIC and super-position coding which is not much considered in conventional wireless communication system, how to increase rates by NOMA in multiple antenna system and various modifications of NOMA are not known well. In this thesis, we investigate pilot signal design strategies and transmission schemes to enhance the rate achieved by NOMA in various scenarios in wireless communication system.
In the first part of the thesis, the pilot signal design for massive MIMO systems to maximize the training-based received signal-to-noise ratio (SNR) is considered under two channel models: block Gauss-Markov and block independent and identically distributed (i.i.d.) channel models. First, it is shown that under the block Gauss-Markov channel model, the optimal pilot design problem reduces to a semi-definite programming (SDP) problem, which can be solved numerically by a standard convex optimization tool. Second, under the block i.i.d. channel model, an optimal solution is obtained in closed form. Numerical results show that the proposed method yields noticeably better performance than other existing pilot design methods in terms of received SNR.
In the second part of the thesis, the performance of NOMA with full-duplex relaying is investigated in multi-user single-input single-output downlink systems. Contrary to the original NOMA, for the proposed NOMA the base station (BS) and two served receivers within a resource block form a relaying broadcast channel (RBC), where one of the two receivers serves as a relay as well as a receiver. To analyze the performance of the proposed scheme, a simple achievable rate region of an RBC with compress-and-forward (CF) relaying is newly derived based on the noisy network coding (NNC). Furthermore, based on this, an achievable rate region of an RBC with NNC relaying when dirty-paper coding (DPC) is applied at the BS, is derived. Numerical results show that NOMA equipped with the proposed combined coding scheme comprised of DPC and NNC relaying yields significant gain over the originally proposed NOMA.
In the third part of the thesis, pilot signal design for channel estimation in non-orthogonal multiple access (NOMA) with multiple user groups with different channel strengths is considered. The problem is approached based on two design criteria: minimization of weighted sum mean-square error (MSE) and maximization of weighted sum conditional mutual information (CMI) between the channel and the received signal given the pilot signal. It is shown that the two design problems reduce to semi-definite programming (SDP). Furthermore, in the practical case of two-user clustering, closed-form solutions to the two problems are obtained under some additional assumption on the channel's statistical information. Numerical result shows that the pilot signal design exploiting the multi-group structure of NOMA yields better channel estimation performance than conventional design.
In the last part of the thesis, practical multi-user MISO-NOMA beam design algorithm is proposed. In NOMA, multi-user are supported by grouping users as multiple clusters. Conventionally, each of the cluster is served by NOMA and inter-cluster interference (ICI) is controlled by ZF beamforming. In this part of the thesis, we apply Tomlinson-Harashima precoding (THP) to control ICI instead of ZF beamforming. By using THP, we can increase degrees of freedom for NOMA beam design for each cluster unlike ZF beamformer, which severely limits the dimension to design NOMA beam for each cluster. We consider user scheduling, beam design and power allocation algorithms for THP-NOMA. First, we propose user scheduling method with sequential beam design for each cluster and we propose a joint beam design algorithm for the scheduled users to increase performance of the considered system. Although, initially formulated beam design optimization problems are non-convex optimization problems, we solve this non-convex optimization problems by applying successive convex approximation and obtain a stationary point of each of non-convex optimization problems. Numerical results show that the proposed algorithms outperforms other existing algorithms.
비직교 다중접속 기법은 다가올 5G 통신 시스템에서 가장 주목받는 기술 중 하나이다. 비직교 다중접속 기법의 핵심은 superposition 코딩과 순차적 간섭 제거 기법을 사용함으로써 같은 시간, 주파수 자원 내에서 여러 명의 사용자를 동시에 지원하는 기술이다. 비직교 다중접속 기법을 이용한다면 단순히 같은 자원 내에서 하나으 사용자만을 지원하는 기술에 대비하여 높은 전송량 이득을 얻을 수 있는 것이 최근 재조명 받고 있다. 하지만 superposition 코딩과 순차적 간섭 제거 기법의 사용을 통한 비직교 다중접속 기법의 경우 기존 무선 통신 시스템에 비해 많은 연구가 진행되지 않았다. 따라서, 본 학위논문에서는 이러한 비직교 다중접속 시스템을 위한 파일럿 신호 설계 및 전송량 증대 방법을 다양한 무선 통신 시스템에 적용하여 연구를 진행 하였다.
먼저 학위논문의 첫번째 파트에서는 거대 배열 안테나 상황에서 수신기의 신호 대비 간섭 더하기 잡음 비를 최대화 시키는 파일럿 설계 방법에 대해 두가지 채널 상황에 대해서 고려하였다; 블락 Gauss-Markov 채널 모델, 블락별 독립적 채널 모델. 먼저 블락 Gauss-Markov 채널 모델에서 최적의 파일럿 신호 설계 문제를 semi-definite programming (SDP) 문제로 바꿀 수 있는 것을 보였다. 이러한 SDP 문제의 경우 cvx 등의 convex optimization tool을 사용하면 해를 구할 수 있다.이후 블락별 독립적 채널 모델에서는 닫힌 형태의 수식으로 최적의 파일럿 신호 문제를 풀 수 있는 것을 보였다. 이 후 시뮬레이션 결과를 통해 제안한 파일럿 신호 설계 알고리듬이 기존 알고리듬 대비 더 높은 성능을 달성할 수 있는 것을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 직접적으로 비직교 다중 접속과 연관되어 있지않지만 후에 비직교 다중 접속을 위한 파일럿 설계 연구의 밑바탕으로써 진행되었다.
이 후 학위논문의 두번째 파트에서는 full-duplex 중계기를 이용하여 기존 비직교 다중접속 기법을 향상시킨 single input single output 무선 통신 시스템을 분석하였다. 기존 비직교 다중접속 기법과 다르게 채널 상황이 좋은 수신기가 채널 상황이 좋지 않은 사용자에게 중계기 역할까지 해줌으로써 기지국과 두 명의 지원 받는 수신기가 relaying broadcast channel (RBC)을 형성하는 상황을 고려하였다. RBC에서의 전송량 분석을 위해 기존 noisy network coding 기법을 응용하여 RBC에서의 새로운 압축 후 전송 기법을 제안하였고 추가적으로 dirty paper coding 기법까지 적용한 달성 가능한 전송량을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 제안한 코딩 기법이 기존 단순 비직교 다중접속 대비 확실한 이득을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
학위논문의 세번째 파트에서는 첫번째 파트에서 다루었던 파일럿 설계 방법을 기초로 삼아 여러 사용자 그룹이 유사한 채널 공간과 서로 다른 채널 강도를 가질 때 이러한 사용자 그룹을 동시에 채널 추정할 수 있는, 즉 비직교 다중접속 기법을 위한 파일럿 신호 설계 방법을 연구하였다. 이 때 파일럿 신호 설계에서 두가지 설계 목적을 고려하였다; 자승 평균 오차 합의 최소화, 조건부 상호정보량 합의 최대화. 이 때 각각의 목적을 위한 설계 방법의 경우 SDP 문제로 바꿀 수 있는 것을 보였고, 추가적으로 두 그룹의 사용자만을 고려하였을 경우 파일럿 설계 문제의 해가 닫힌 형태로 표현 될 수 있는 것을 보였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안한 파일럿 설계 기법이 기존 대비 높은 성능을 달성할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
학위논문의 마지막 파트에서는 실질적으로 비직교 다중접속 기법에서 다중 안테나를 사용할 때 여러명의 사용자를 지원할 수 있는 빔포밍 기법을 고려하였다. 기존 비직교 다중접속 기법의 경우 하나의 셀에서 여러명의 사용자를 동시에 지원할 경우에는 여러 사용자를 여러 개의 클러스터로 나누어 각각의 클러스터 내에서는 비직교 다중접속 기법을 사용하고 각 클러스터 간의 간섭제어를 위해서는 제로 포싱 빔포머를 사용하는 것을 주로 고려해왔다. 하지만 이러한 방법의 경우 각 클러스터 간의 간섭제어를 위해 제로 포싱 도메인 내에서 각 클러스터를 위한 빔을 설계해야 하므로 비직교 다중 접속을 위한 빔의 설계 자유도가 크게 줄어들게 된다. 이를 해결하기 위해 본 파트에서는 Tomlinson Harashima precoding (THP) 라는 비선형 빔포머 설계 방법을 이용하여 각 클러스터 간의 간섭을 제어하면서도 클러스터 내에서 비직교 다중접속을 위한 빔을 설계하는 자유도를 높일 수 있는 방법을 제안하였다. 이를 위해 THP-비직교 다중접속 기법을 위한 사용자 스케줄링 및 빔포머 설계 방법을 제안하였다. 이 때 빔포머 설계 방법의 경우 non-convex optimization problem 이라 이를 해결 하기 위해 successive convex approximation 기법을 적용하여 제안한 빔 설계 방법이 stationary point를 달성할 수 있는 것을 보였다. 시뮬레이션 결과 제안한 알고리듬이 기존 대비 높은 전송량을 달성할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
