This thesis aims to improve the performance of mobile communication system using non-orthogonal multiple access technique using beamforming. The key principle of non-orthogonal multiple access technology is to obtain non-orthogonal gain by allocating different users to the same frequency resource. By using this principle, we have studied a novel non-orthogonal multi-access system by combining it with various systems such as multi beams or spatial modulation.
The first study is to improve performance for non-orthogonal multiple access system in a multi-beam environment. The operating principle of the non-orthogonal multiple access scheme is that continuous interference cancellation schemes can be used to distinguish the various signals assigned to the same frequency. The conventional non-orthogonal multiple access system is based on the distance difference between users, and the proposed non-orthogonal multiple access system in the multi-beam environment makes use of the difference in gain between multi beams. In this thesis, we present power allocation scheme and grouping user scheme, which are suitable for multi beam environments. The capacity of the proposed non-orthogonal multiple access system using the power allocation scheme and the grouping user scheme is confirmed to have a higher capacity than that of the orthogonal multiple access system. The proposed grouping scheme has a lower complexity than the exhaustive search grouping scheme with similar performance. In addition, we confirmed that the proposed non-orthogonal multiple access system using multi beams can solve the mobility problem of the conventional non-orthogonal multiple access system.
Second, the performance of the non-orthogonal multiple access system in a spatial modulation environment based on beamforming is studied. The spatial modulation scheme selects only one or a group of antennas among many antennas, and the antenna selection scheme is determined according to bits to be transmitted, which is called as spatial bits. A disadvantage of the spatial modulation system is that the spectrum efficiency is lower compared to the MIMO system using all antennas in case that the same number of antennas is used. If a data modulation scheme for transmitting huge bits is used in spatial modulation system, the symbol error probability increases. In this thesis, we proposed a novel system that combines a spatial modulation scheme with a non-orthogonal multiple access. The proposed SM-NOMA system can improve the spectral efficiency and reduce the symbol error probability compared to conventional NOMA system. We also proposed a power allocation scheme and a beamforming scheme which are suitable in the proposed system. Using the proposed schemes, we can improve spectral efficiency in non-orthogonal multiple access systems based on spatial modulation and verify that symbol error probability can be lowered.
Lastly, we proposed a novel spatial modulation and non-orthogonal system based on massive MIMO environment. In proposed system, more antenna can be integrated in limited space within $\frac{\lambda}{2}$. With the integration gain of antenna, more sharp beamforming is possible and multi beam environment can be applied to this proposed system. Through simulations, we showed that proposed NOMA-SM system has better performance than other systems such as OMA-MIMO, OMA-SM, and NOMA-MIMO.
본 논문은 빔포밍을 이용한 비직교 다중 접속 기술을 적용한 이동 통신 시스템의 성능 향상을 목적으로 한다. 비직교 다중 접속 기술의 핵심 원리는 서로 다른 고객들을 동일한 주파수 자원에 할당하여 비직교 이득을 얻는 것이며, 이 원리를 이용하여 다양한 시스템에 접목하여 새로운 방식의 비직교 다중 접속 시스템에 대해 연구하였다.
먼저 다중 빔 환경에서의 비직교 다중 접속 방식 시스템에 대한 성능 향상을 연구한다. 비직교 다중 접속 방식의 작동 원리는 연속적인 간섭의 제거 방식을 사용하여 동일한 주파수에 할당된 다양한 신호를 구별할 수 있다는 점이다. 기존의 비직교 다중 접속 시스템은 고객들 간의 거리 차이를 기반으로 한다면, 이 논문에서 제안한 다중 빔 환경에서의 비직교 다중 접속 시스템은 빔들 간 이득 차이를 이용한다. 비직교 다중 접속 시스템에서 전력 할당 방안과 고객들을 그룹화 하는 것은 중요한 부분을 차지하며, 본 논문에서는 다중 빔 환경에 적합한 전력 할당 방안들 및 그룹화 방안을 제시하였다. 전력 할당 방안 및 그룹화 방안을 사용한 새로운 비직교 다중 접속 시스템의 용량은 직교 다중 접속 시스템 대비 높은 용량을 갖는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 제안한 그룹화 방안이 전수 조사를 통해 그룹화 방안 보다 낮은 복잡도를 가지며 비슷한 성능을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 다중 빔을 활용한 비직교 다중 접속 방식이 기존 비직교 다중 접속 방식이 갖던 이동성 문제를 해결 할 수 있음을 확인하였다.
두 번째로, 빔포밍에 기반한 공간 변조 환경에서의 비직교 다중 접속 시스템에 대한 성능 향성을 연구하였다. 공간 변조 방식은 다수의 안테나 중 하나 혹은 한 그룹의 안테나만을 선택하며, 이 때 안테나 선택 방식은 전송할 비트에 따라 결정된다. 공간 변조 방식의 단점은 다수의 안테나를 사용하는 다중 입출력 방식 대비 스펙트럼 효율이 떨어진 다는 것이며, 비직교 다중 접속 방식의 단점은 유저 간 간섭이 존재하므로, 심볼 오류 확률이 증가한다는 것이다. 이 논문에서는 공간 변조 방식에 비직교 다중 접속 방식을 접목한 새로운 시스템을 제안하였다. 제안한 시스템은 공간 변조 방식에 비직교 다중 접속 방식을 접목하여 스펙트럼 효율을 향상시킬 수 있으며, 심볼 오류 확률을 감소시킬 수 있다. 제안한 시스템에서 사용하기 적합한 전력 할당 방안 및 빔포밍 방안을 제시하였다. 제안한 방법들을 이용하여 공간 변조 기반 비직교 다중 접속 시스템에서는 스펙트럼 효율을 향상시킬 수 있었으며, 비직교 이득을 기반으로 하여 심볼 오류 확률을 낮출 수 있음을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
마지막으로 다수의 MIMO 환경을 기반으로 한 새로운 공간 변조 및 비직교 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템에서, 더 많은 안테나가 $\frac{\lambda}{2}$ 내의 제안된 공간에 배열될 수 있다. 더 많은 안테나들을 좁은 공간에 배열함으로써 안테나의 집적 이득을 얻을 수 있다. 이를 통해 보다 집중된 빔포밍이 가능하며 제안 시스템에 다중 빔 환경을 접목할 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 제안된 massive MIMO 환경 기반 NOMA-SM 시스템이 OMA-MIMO, OMA-SM 및 NOMA-MIMO와 같은 기존 시스템보다 우수한 용량을 갖는 것을 확인하였다.
