Design and Optimization of Full-Duplex Wireless Systems = 전이중 전송 방식의 무선통신 시스템 설계 및 최적화

국문 초록 (Abstract)

전이중 통신 방식은 셀룰러 단말이 동일 시간-주파수 자원을 이용하여 상향 및
하향링크 모두 통신하는 방식으로 급속하게 증가하고 있는 대량의 디바이스 지원과
함께 서비스 품질 요구조건을 만족시킬 수 있는 유망한 무선통신 기술이다.
이론상으로 전이중 통신은 반이중 통신에 비해 두 배의 주파수 효율을 달성할 수
있지만, 자기간섭 및 동일채널간섭 등으로 인해 성능이득의 저하가 발생한다.
이러한 성능 문제점으로 인해 전이중 통신 방식의 응용은 소형 셀 네트워크 및 실내
환경으로 제한될 수밖에 없는 것이 현실이다. 본 논문은 최신 무선통신 기술을
전이중 통신에 접목하여 전이중 통신의 응용 영역 확장과 더불어 네트워크 성능
향상을 목표로 한다.
본 논문에서는 전이중 방식 시스템 설계의 한 부분인 안테나 구조에 따른 세가지
시스템 모델을 제시한다. 첫째 모델은 송수신 안테나 분리 구조, 둘째 및 셋째
모델은 송수신 안테나 공유 구조를 기반으로 한다. 일반적으로 안테나 공유 구조가
구현은 복잡하지만 안테나의 자유도를 완전히 활용할 수 있는 장점이 있다.
첫번째 시스템 모델에서는 송수신 안테나 분리 구조 하에서 채널용량 극대화를 위한
안테나 모드 선택 기법을 제시한다. 두 번째 시스템 모델에서는 송수신 안테나
공유 구조 하에서 전이중 전송 기술과 비직교다중접속 기술의 결합을 통해 시스
템 성능 및 사용자간 공평성을 향상시키는 기술을 제안한다. 마지막으로 세 번째
시스템모델에서는 무셀 거대 다중안테나 시스템에서 전이중 전송 방식의 이득을
극대화하는 연구를 진행하였다.
전이중 전송 네트워크에서 제안한 모델들의 장점에도 불구하고 제시하는 시스템
설계에 대한 최적화 문제는 혼합 정수 비볼록 프로그래밍 문제로 전역적 최적해를
구하기 어렵다. 이러한 문제점를 해결하고 낮은 복잡도로 해를 구하기 위해 완화 기법과
원 문제를 다루기 쉬운 하위문제로 분리하는 기법 및 내부 볼록 근사화기법을 제안한다.
결과적으로 낮은 복잡도로 최적화 문제의 해를 제공하는 구현 가능한 알고리즘을 개발한다.
현실적인 파라미터를 반영한 모의실험 결과를 통해 제안한 시스템 설계 및 알고리즘의
효용성을 검증하였다.
특히, 본 연구에서 제안한 기술은 낮은 복잡도를 가지며 기존의 반이중 및 전이중 통신
기술에 비해 성능이 우수함을 확인하였다. 아울러 제안한 기법은 자기간섭, 동일채널간섭,
채널추정오류 등으로 인한 성능열화에 강인함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Full-duplex (FD) radio, which allows downlink and uplink transmission to operate in
the same time-frequency resource, has been considered as a promising solution for
an explosive growth in the number of devices and quality-of-service requirement. Although
FD communication is theoretically expected to double the spectral efficiency
of the network as compared to the half-duplex (HD) counterpart, the gain of FD over
HD is degraded by the self-interference (SI) and co-channel interference (CCI). Even
when many efforts have brought the SI to noise floor, the FD application might be
still restricted in a some special scenarios, i.e., small cells or indoor communications.
This thesis aims to integrate the emerging technologies into FD systems, which not
only extends the applicability of FD communication but also improves the network
performance significantly.
This thesis considers both separate-antenna and shared-antenna architectures for
the system design. Although the later architecture may be more difficult in hardware
design, it can fully utilize the number of degrees of freedom. To boost the applicability
of FD communications, this thesis develops three system models, with the separateantenna
architecture for the first model and the shared-antenna architecture for the
others, as follows. The first model studies the FD with antenna array mode selection
to maximize the channel capacity of the UEs. In the second model, the combination
of FD and NOMA is investigated to further improve the system performance and to
address the UE fairness among near and far UEs. The goal of third system model is
to reap the benefit of FD in cell-free massive MIMO systems.
Despite the advantages of integrated technologies in FD-based networks, the
resulting problems of the above system designs belong to mixed-integer non-convex
programming, of which the global optimum is hard to be obtained. To overcome
this issue, we propose the various approaches to relieve the complexity of problems,
i.e., relaxation forms and tractable subproblems. In addition, the inner convex
approximation method is applied to achieve at least a local optimal solution at the
optimum. Consequently, we devise the implementable algorithms which provide low
complexities and good solutions for the original problems.
Numerical results with the realistic parameters are presented to indicate the effectiveness
of the proposed system designs and algorithms. In particular, the schemes
developed in this thesis outperform the existing ones (HD and conventional FD), in
terms of system performance and computational complexity. Moreover, the simulations
are provided to verify the robustness of the proposed methods against the
effects of SI, CCI and channel uncertainties.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT IN ENGLISH xv
• ABSTRACT IN KOREAN xviii
• CHAPTER 1 Introduction 1
• 1.1 Overview of Full-duplex Radios 1
• 1.2 Metrics for Performance Evaluation 2
• 1.2.1 Performance Metrics 2
• 1.2.2 Objective Functions 3
• 1.3 Background of Full-duplex Systems and Fundamentals of Optimization 4
• 1.3.1 Transmission Model for FD MU-MISO Systems 4
• 1.3.2 Fundamentals of Optimization 8
• 1.4 Research Challenges and Opportunities 10
• 1.4.1 FD Communications with Antenna Array Mode Selection 10
• 1.4.2 FD Communications with NOMA 12
• 1.4.3 FD Communications in CF-mMIMO Systems 14
• 1.5 Contributions and Organization of Thesis 15
• CHAPTER 2 FD Communications with Antenna Array ModeSelection 18
• 2.1 Introduction 18
• 2.1.1 Motivation and Contributions 18
• 2.1.2 Chapter Organization 21
• 2.2 System Design and Problem Formulation 22
• 2.2.1 Channel Model and System Design 22
• 2.2.2 Signal Processing Model and Optimization Problem Formulation 25
• 2.3 Proposed Algorithm for Sum Rate Maximization 29
• 2.3.1 Subproblems for Original Sum Rate Maximization Problem 30
• 2.3.2 Bound Tightening for Power Constraints 34
• 2.3.3 Proposed Convex Approximation-based Iterative Algorithm 36
• 2.4 Proposed Algorithm for Max-Min Rate Optimization 43
• 2.5 Robust Transmission Design under Channel Uncertainty 45
• 2.6 Numerical Results 51
• 2.7 Conclusion 67
• CHAPTER 3 FD Communications with NOMA 68
• 3.1 Introduction 68
• 3.1.1 Motivation and Contributions 68
• 3.1.2 Chapter Organization 71
• 3.2 System Model and Problem Formulation 72
• 3.2.1 Channel Model 72
• 3.2.2 Downlink Transmission 73
• 3.2.3 Uplink Transmission 76
• 3.2.4 Optimization Problem Formulation 77
• 3.3 Proposed Suboptimal Designs 80
• 3.3.1 ICA-CR based Design 81
• 3.3.2 ICA-CR based Design with Penalty Function 90
• 3.3.3 Discussion on Solution for the General Case (𝑍 >= 2) 92
• 3.4 Optimal Solution based on Brute-force Search 94
• 3.5 Initial Point, Convergence and Complexity Analysis 99
• 3.5.1 Finding Initial Feasible Points 99
• 3.5.2 Convergence Analysis 101
• 3.5.3 Complexity Analysis 102
• 3.6 Numerical Results 103
• 3.6.1 Simulation Setup 103
• 3.6.2 Performance Evaluation 105
• 3.6.3 Effects of SI, CCI and Rate Threshold 112
• 3.7 Conclusion 118
• CHAPTER 4 FD Communications in CF-mMIMO Systems 119
• 4.1 Introduction 119
• 4.1.1 Motivation and Contributions 121
• 4.1.2 Chapter Organization 123
• 4.2 System Model and Problem Formulation 124
• 4.2.1 System Design and Channel Model 124
• 4.2.2 Data Transmission Model 126
• 4.2.3 Power Consumption Model 128
• 4.3 Optimization Problem Design 130
• 4.3.1 Original Problem Formulation 130
• 4.3.2 Tractable Formulation for Original Problem 132
• 4.4 Proposed Solution Based on Zero-Forcing 136
• 4.4.1 ZF-Based Transmission Design 136
• 4.4.2 Proposed Algorithm 138
• 4.4.3 Convergence and Complexity Analysis 142
• 4.5 Proposed Solution Based on Improved Zero-Forcing 144
• 4.5.1 IZF-Based Transmission Design 145
• 4.5.2 IZF-Based Optimization Problem 148
• 4.6 Numerical Results 149
• 4.6.1 Simulation Setup and Parameters 149
• 4.6.2 Numerical Results for SE Performance 153
• 4.6.3 Numerical Results for EE Performance 157
• 4.6.4 Convergence Behavior and Computational Capability of Alg. 4.1 162
• 4.7 Conclusion 167
• CHAPTER 5 Research Achievements and Future Works 168
• 5.1 Research Achievements 168
• 5.2 Future Works 169
• REFERENCES 171
• APPENDICES 186