Advanced multiple access techniques have been attracted much attention since the future wireless communication systems are faced with new challenges to support various usage scenarios such as massive machine type communications and ultra-reliable and low latency communications. The code-domain non-orthogonal multiple access (CD-NOMA) has been intensively studied from industry and academia as promising solution to meet the requirements of diverse usage scenarios, and various physical-layer techniques should be further studied to realize the grant-free CD-NOMA systems in the future wireless communication systems.
In the CD-NOMA systems, different codebooks are assigned to user equipments (UEs) as the multiple access signatures. Since the transmitted codewords are non-orthogonally multiplexed over the same time-frequency resources, the most important issue on the grant-free CD-NOMAs may be how to control the interferences to maintain reliable performance. Therefore, the primary objectives of this dissertation are the interference mitigation to enhance the CD-NOMA systems by the design of an optimal set of codebooks and the development of the effective multi-user receiver.
We first study the performance of the CD-NOMA system equipped with multiple receiver antennas to drive the guidance on the transceiver design. We analyze the upper bounds on the error rates, and show that the diversity order equals to the product of the spreading gain and the number of receiver antennas. Based on the analysis, we drive the fundamental distance measures, namely the dimension-wise distance and the product distance of the codebooks, which dominantly affect the performance of the system.
The second concern is to development of flexible codebook occupation and efficient transmission scheme. Because the key feature of the CD-NOMA in uplink is a codebook-based transmission, we propose a code-domain superposition transmission by an efficient utilization of codebooks as multiple access resources. For a certain instance, if there are unoccupied codebooks of inactive UEs, they are allowed to be exploited as extra resources for active UEs. Then, an active UE can simultaneously transmit superposed codewords without additional use of physical resources. We analyze the increasing effect of the inter-layer interferences due to the application of the code-domain superposition transmission, and propose a codebook design algorithm that improves the throughput of the systems by mitigating the inter-layer interferences.
In the last part of this dissertation, we study on the practical multi-user receiver to support a number of connected devices in the CD-NOMA systems equipped with multiple receiver antennas. We propose two-stage MUDs based on the Gaussian approximation principle, and analyze the effect of the first stage (i.e., linear filtering such as matched filter, zero-forcing filter or minimum mean square error filter) on the performance of the proposed MUD. To support the system when channel state information is not available at the receiver, we further develop an low-complexity channel estimation method suitable for the proposed MUD. By estimating matched filtered channels (rather than explicitly estimating actual channels), the proposed estimator efficiently support the second-stage Gaussian approximation-based belief-propagation detector with negligible increment of complexity.
미래 무선 통신 시스템에서 mMTC 및 URLLC 등의 시나리오를 지원하기 위하여 진보 된 다중 접속 기술에 대한 관심이 증대되고 있다. 코드 도메인 비직교 다중 접속(code-domain non-orthogonal multiple access, CD-NOMA) 기술은 이러한 시나리오의 요구조건을 충족시킬 수 있는 유망한 기술로서 산학계에서 많은 연구가 수행되어 오고 있다. 미래 무선 통신 시스템에서의 grant-free CD-NOMA 기술을 실현하기 위하여 다양한 물리 계층 기술에 대한 연구가 수행이 요구된다.
CD-NOMA 시스템에서는 서로 다른 코드북이 사용자에게 할당되어 다중 접속 자원으로써 활용된다. 사용자들이 전송한 부호어는 동일 시간-주파수 자원 상에 비직교적으로 중첩되므로 다중 사용자의 간섭을 제어함으로써 우수한 성능을 달성하는 것이 CD-NOMA 시스템의 핵심적인 문제이다. 따라서 본 논문에서는 최적의 코드북의 설계 및 효율적인 다중 사용자 검출 기법의 개발을 고려함으로써 간섭 처리를 통한 CD-NOMA 시스템의 성능 향상을 목표한다.
본 논문에서 고려하는 첫 번째 세부연구는 다중 수신 안테나가 장착된 CD-NOMA 시스템의 성능을 분석함으로써 수신기 설계 문제에 대한 지침을 유도하는 것을 목표한다. 고려하는 시스템의 에러율에 대한 상한을 분석하고 시스템의 다이버시티 차수가 확산 이득과 수신 안테나 수의 곱임을 증명한다. 또한, 분석 된 상한을 통하여 시스템의 성능이 차원 별 거리 및 곱 거리에 의하여 결정되는 사실을 유도한다.
두 번째 세부연구의 목표는 유연한 코드북 점유 방식 및 효율적인 전송 기법의 개발이다. 상향링크 CD-NOMA 시스템에서 고려되는 코드북 기반의 기존 전송 기법을 응용하여 코드북을 유용한 다중 접속 자원으로 활용하는 코드 도메인 중첩 전송 기법을 제안한다. 특정 시점에 비활성 사용자가 점유하지 않는 코드북이 존재하는 경우, 이를 활성 사용자가 추가적으로 사용 가능한 여분의 자원으로 이용하도록 허용하는 코드북 점유 방식을 고려한다. 이러한 코드북 점유 방식을 고려하면, 활성 사용자는 추가적인 무선자원의 사용없이 중첩된 부호어를 동시에 전송할 수 있다. 더 나아가 코드 도메인 중첩 전송 적용 시 증가하는 레이어 간 간섭의 영향을 분석하고, 분석 결과에 기반하여 레이어 간 간섭을 완화하는 코드북 설계 알고리즘을 개발함으로써 시스템의 처리량을 향상 가능하다.
마지막으로 다중 수신 안테나가 장착된 CD-NOMA 시스템에 대하여 매우 많은 사용자를 효율적으로 지원 가능한 다중 사용자 수신 기법을 개발한다. 본 연구에서는 가우시안 근사 원리에 기반한 2 단계 다중 사용자 검출 기법을 제안하고 제안된 검출 기법에 대하여 첫 번째 단계 선형 필터링의 효과를 분석한다. 더 나아가 채널 상태 정보가 불완전한 경우에 대하여 낮은 복잡도를 가지는 채널 추정 기법을 제안함으로써 실제적인 환경에 대하여 제안된 검출 기법을 지원한다. 제안된 채널 추정 기법은 실제 채널을 직접 추정하는 대신 필터링 된 채널을 추정하기 때문에 무시 가능한 수준의 복잡도 증가로써 두 번째 단계의 가우시한 근사화 기반 신뢰도 전파 검출기법을 지원 가능하다.