It has been known that spatial correlation imposes negative impacts on multiple antenna communications. Specifically, channel fluctuations by fading are not effectively removed by spatial diversity techniques in correlated channels. Interestingly, these channel fluctuations, however, enhance multiuser diversity gains so that the defects of correlation can be compensated by opportunistic multiuser scheduling. On the other hand, negative influences of spatial correlation on spatial multiplexing schemes are not easily overcome by multiuser diversity gains since spatial multiplexing gains are inherently determined by spatial dimensions of a given channel.
In this dissertation, we quantify the interaction among spatial correlation, spatial diversity, spatial multiplexing, and multiuser diversity. First of all, we analyze and quantify the relations between spatial correlation and multiple antenna techniques with multiuser diversity by the order statistics theory, which provide more intuition for the interactions. Contrary to the asymptotic analysis in preliminary studies, the upper bound from the order statistics theory is rather tighter for smaller number of users so it more accurately quantifies the interaction. Our analysis indicates that the lost diversity gain by spatial correlation can be fully compensated by the multiuser diversity gain if opportunistic multiuser scheduling is employed. As a result, capacities of spatial diversity techniques increase with correlation if multiuser diversity is combined, whereas they have been known to decrease with correlation in a point-to-point communication. However, the reduced dimensions by spatial correlation are not overcome by multiuser diversity gain, hence the capacity of a spatial multiplexing technique decreases with correlation despite opportunistic multiuser scheduling. We additionally investigates the performance of an Alamouti space-time coding based transmit diversity scheme with opportunistic multiuser scheduling in spatially correlated channels. An exact closed form of achievable capacity is derived, and bit error rate (BER) analysis is performed with a Q-function approximation and a log likelihood radio (LLR) approach for two transmit antennas case. Our analytical and numerical results verify a positive effect of spatial correlation on multiuser diversity in terms of achievable capacity. We show, however, that spatial correlation is beneficial in terms of BER until a certain signal-to-noise ratio (SNR) level while it hurts BER as SNR increases compared with achievable capacity.
Based on the results for the effects of spatial correlation on multiuser diversity in single-cell environment, we extend into the region of multicell communications. A base station (BS) requests the removal of the interference to neighboring cells, and BSs of neighboring cells perform the precoding to minimize the interference. We analyze the influence of spatial correlation on other cell interference when the multiuser diversity is employed. By using the asymptotic analysis, the scaling laws of sum-rate capacity are derived. An efficient multiuser scheduling scheme is also proposed to maximize the sum-rate capacity in spatially correlated multicell channel.
본 논문은 공간 상관도 (spatial correlation)가 다중 사용자 다이버시티 (multiuser diversity)에 미치는 영향에 관한 것이다. 공간 상관도가 MIMO (multiple-input multiple-output) 통신의 성능에 부정적인 영향을 미친다는 것은 많이 알려진 사실이다. 하지만, 흥미롭게도 공간 상관도의 단점이 다중 사용자 스케줄링 (multiuser scheduling)에 의한 다중 사용자 다이버시티 이득을 증가시킨다. 다중 안테나 통신의 성능을 이해하기 위해 중요한 공간 상관도, 공간 다이버시티 (spatial diversity), 공간 다중화 (spatial multiplexing), 다중 사용자 다이버시티 간의 관계를 정량화한다. 먼저, 공간 상관도와 다중 사용자 다이버시티를 적용한 다중 안테나 기법 간의 관계를 분석하고 정량화하기 위해 순차 통계 이론 (order statistics theory)을 이용한다. 점근적 분석 (asymptotic analysis)과 달리 순차 통계 이론을 통한 채널 용량 상한값은 사용자 수가 적을수록 더 잘 맞게된다. 분석은 공간 상관도에 의해 감쇄된 다이버시티 이득이 스케줄링을 통한 다중 사용자 다이버시티 이득에 의해 완벽히 보상됨을 보인다.
또한, Q-function 근사화 방식과 log-likelihood ratio (LLR) 방식을 통해 다중 사용자 스케줄링을 적용한 Alamouti 시공간 부호 (space-time code) 기반 공간 다이버시티 기법의 BER 성능을 분석함으로써 채널 용량 관점에서의 공간 상관도의 영향과 비교한다. 채널 용량을 증가시키는 공간 상관도가 BER 관점에서는 특정 신호대잡음 비 (signal-to-noise ratio, SNR) 까지는 성능 향상에 도움을 주지만 특정 신호대잡음 비 이상의 영역에서는 일대일(point-to-point) 통신처럼 성능이 열화됨을 보인다.
마지막으로, 앞의 연구 결과를 바탕으로 다중 셀 (multicell) 환경으로 연구를 확장한다. 먼저, 하나의 기지국 (base station, BS)이 인접 셀의 기지국에 간섭 신호 제거를 요청하고, 이에 인접 셀의 기지국이 간섭을 제거하기 위해 precoding을 수행하는 다중 셀 환경을 제시한다. 이러한 다중 사용자 스케줄링을 적용하는 다중 셀 환경에서 셀의 가장자리에 위치한 사용자들이 겪게되는 인접 셀로부터의 간섭 신호에 대해 공간 상관도가 미치는 영향을 채널 용량 관점에서 분석하고, 채널 용량을 최대화할 수 있는 효과적인 다중 사용자 스케줄링 기법을 제안한다.
