(In preparation:) S. Yoo, M. Oh, and J. Choi*, “Regularized Scalable Generalized Power Iteration-based Precoding under Imperfect CSIT”, IEEE Letters.
(In preparation:) S. Yoo, M. Oh, J. Park, N. Lee, and J. Choi*, “Scalable Generalized Power Iteration-based Precoding for Large-Scale MU-MIMO Systems”, IEEE Transactions on Wireless Communications (TWC).
(Under Revision:) My paper “Full-Duplex Multiuser MISO Under Coarse Quantization: Per-Antenna SQNR Analysis and Beamforming Design” has been submitted to IEEE Transactions on Communications (TCOM), 2025.
Generalized power iteration-based precoding (GPIP) exhibits superior performance in maximizing spectral efficiency for multi-antenna communications. Increasing the number of antennas, however, makes GPIP less practical due to its cubic complexity with respect to the number of antennas in computing matrix inversion. To resolve this, we propose efficient GPIP methods with imperfect channel knowledge. Exploiting the GPIP matrix structure, we use two low-complexity matrix inversion approaches: the matrix inversion lemma-based low-dimension matrix inversion and Gauss-Seidel iteration. These approaches decrease complexity order to the square of the number of antennas. Simulations validate the computational efficiency of the proposed methods while maintaining performance.
We propose a joint secure max-min fairness precoding and antenna selection algorithm for multi-user systems constrained by limited active antennas, low-resolution quantizers, and imperfect channel knowledge. We first formulate an optimization problem which is non-convex and non-smooth. Then, we cast it as a tractable problem, allowing us to leverage the available channel knowledge through averaging spectral efficiency and use a Lagrangian method to handle the antenna selection constraint. We identify the first-order optimality condition for a precoder and solve the condition by employing a generalized power iteration method, which achieves a superior sub-optimal solution. Simulations validate the proposed algorithm.
2024
arXiv
Full-Duplex MU-MIMO Systems with Coarse Quantization: How Many Bits Do We Need?
This paper investigates full-duplex (FD) multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) system design with coarse quantization. We first analyze the impact of self-interference (SI) on quantization in FD single-input single-output systems. The analysis elucidates that the minimum required number of analog-to-digital converter (ADC) bits is logarithmically proportional to the ratio of total received power to the received power of desired signals. Motivated by this, we design a FD MIMO beamforming method that effectively manages the SI. Dividing a spectral efficiency maximization beamforming problem into two sub-problems for alternating optimization, we address the first by optimizing the precoder: obtaining a generalized eigenvalue problem from the first-order optimality condition, where the principal eigenvector is the optimal stationary solution, and adopting a power iteration method to identify this eigenvector. Subsequently, a quantization-aware minimum mean square error combiner is computed for the derived precoder. Through numerical studies, we observe that the proposed beamformer reduces the minimum required number of ADC bits for achieving higher spectral efficiency than that of half-duplex (HD) systems, compared to FD benchmarks. The overall analysis shows that, unlike with quantized HD systems, more than 6 bits are required for the ADC to fully realize the potential of the quantized FD system.
ICTC
Max-Min Fairness Precoding with Low Resolution DACs
We propose a max-min fairness (MMF) precoding algorithm for a multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) downlink system with different user weights, considering the quantization effects of low-resolution digital-to-analog converters (DACs). To find a precoder, we first formulate a problem, which jointly considers MMF and quantization. This joint problem presents some challenges that make finding a direct solution infeasible: non-smoothness and non-convexity. To address the non-smoothness, we use LogSumExp method to approximate the problem into a smooth problem. Subsequently, we derive the first-order optimality condition and cast it as a nonlinear eigenvalue problem. Lastly, we employ a generalized power iteration method to determine the superior stationary point. Simulation result demonstrates the superiority of our MMF precoding algorithm.
현대 무선 통신은 스펙트럼 효율과 에너지 효율의 향상을 중요한 과제로 직면하고 있으며, 이를 동시에 해결할 해결책으로 저해상도 양자화기를 고려한 full-duplex 기술이 활발히 연구되고 있다. 특히, 심각한 문제를 야기하는 자체간섭 (self-interference)을 완화하기 위한 다양한 아날로그 및 디지털 처리 방법들이 제안되었다 [1]. 이는 half-duplex 시스템에서의 양자화 잡음에 대한 분석과는 달리, ADC 양자화 잡음에 대한 자세한 분석이 필요하며, 동시에 아날로그 및 디지털 처리 방법의 영향을 고려한 연구의 필요성을 입증한다. 본 논문에서는 저해상도 ADC 및 DAC, ADC 동작 범위, 아날로그 및 디지털 처리 방법의 영향을 모두 고려하여 full-duplex MIMO 시스템에서의 성능을 분석한다.
@article{2024_KSAS_spring,title={{저해상도 양자화기를 고려한 Full-Duplex 시스템의 성능 분석 실험}},author={Yoo, S. and Park, S. and Oh, M. and Choi, J.},journal={JCCI},pages={1282--1283},year={2024}}
지상 기지국에 의존하지 않는 저궤도 위성 통신은 차세대 통신 수단으로써의 잠재력을 인정 받으며 활발히 연구되고 있다. 최근에는 전세계의 커버리지를 확보하여 지상국이 없는 지역에서도 지상국을 통한 통신 속도를 넘어서는 등 저궤도 위성 통신의 발전 속도가 가속화되고 있다. 이러한 저궤도 위성 통신은 지상국 및 이종 위성군 통신과 함께 활발히 연구되고 있다. 따라서 본고에서는 최근들어 주목받고 있는 저궤도 위성 통신의 특성 및 송수신 방법과 저궤도 위성의 국내외 연구 동향에 대해서 알아본다.
@article{2024_KICS_magazine,title={{저궤도 위성 통신 채널 특성 및 송수신 방법}},author={Choi, E. and Yoo, S. and Choi, J.},journal={KICS},pages={43--49},year={2024},url={https://www-dbpia-co-kr.libra.kaist.ac.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE11861409&width=1237}}
위성 통신은 대량의 채널 용량과 함께 전 세계적인 통신 커버리지를 보장할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 보편적으로, 저궤도 위성 네트워크는 다수의 원형 궤도 하에 위성을 배치하는 모델로 설계되었다. 저궤도 위성은 정지궤도 위성에 비해 작은 커버리지로 인해 많은 수의 위성을 확보하는 것이 중요하다. 하지만 이러한 저궤도 위성 네트워크 모델의 커버리지 성능을 평가하기 위해서는 복잡한 수준의 시뮬레이션을 요구하므로 분석이 제한적이다. 따라서 최근에는, 푸아송 포인트 프로세스 (PPP)를 이용한 모델링을 이용해 위성 네트워크의 커버리지에 대해 분석하려는 시도가 있었다. 이러한 연구는 위성 네트워크에서의 위성 배치 전략에 대한 핵심 시스템 통찰력을 제공하였다. 커버리지에 대한 분석은 지상망과 위성망을 함께 고려하는 시스템으로도 확장되었으며, 더 확장된 시스템에서의 분석적 연구가 제안되었다. 본 논문에서는, 위성 네트워크에서 PPP를 이용한 커버리지 분석에 대해 진행된 연구에 대해 조사한다
@article{2024_KSAS_sprinh,title={{저궤도 위성 네트워크 커버리지 분석 서베이}},author={Choi, E. and Yoo, S. and Kim, S. and Choi, J. and Choi, J.},journal={KSAS},pages={478--479},year={2024},url={https://www-dbpia-co-kr.libra.kaist.ac.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE11813729&width=1237}}
본 논문은 저해상도 DAC 를 사용하는 하향링크 다중 유저 MIMO 시스템에서 랜덤한 유저의 가중치를 고려한 최대-최소 공정성(MMF) 프리코딩을 제안한다. 부분적인 채널 지식, 최적화 문제에서 non-smooth 하고 non-convex 특성에 의해 발생하는 문제를 해결하고자 조건부 평균 전송률을 유도하고, nonsmooth 문제를 LogSumExp 방법을 통해 smooth 한 값으로 근사함으로써 해결했다. 이후 non-convex 한 최적화 문제를 고유 값과 고유 백터 관련 문제로 변형하여 최상 국소 최적해(best local-optimal solution)를 찾았다. 해당 알고리즘은 기존의 방법들에 비해 향상된 최소 스펙트럼 효율을 보였다.
@article{2024_KICS_winter,title={{저해상도 DAC 시스템에서 공정 데이터율을 위한 빔포밍}},author={Bae, S. and Yoo, S. and Lee, S. and Choi, J.},journal={KICS},pages={1282--1283},year={2024},url={https://www-dbpia-co-kr.libra.kaist.ac.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE11737591&width=1237}}
2023
ICTC
Downlink Satellite Network Analysis with Beam Gain in Shadowing Channel
Satellite communications offer the potential of ensuring global coverage with a substantial capacity. In this paper, we examine the coverage performance of satellite networks by considering a distance-dependent line-of-sight (LOS) and non-LOS (NLOS) channel propagation probability, which takes into account the shadowing effect. Building upon the stochastic geometry-based network analysis used for terrestrial networks, we employ a Poisson point process to model both the satellite network and its users. Through this approach, we derive a theoretical expression for the coverage probability with beam gain under a nearest satellite association rule, providing an analytical understanding of the satellite network. The accuracy of the derived expression is confirmed through simulation results. The derived expression encompasses various network parameters such as satellite density, altitude, channel fading, pathloss, LOS probability, and beam gain, offering valuable insights into satellite networks.
ICTC
A Survey on Statistical Channel Modeling for Underwater Acoustic Communications
Underwater acoustic (UWA) channel is one of the common systems for wireless underwater communication. However, the underwater environment poses significant challenges to reliable and efficient communication. This paper is a survey on channel modeling for UWA communications. We investigate various UWA channel modeling approaches that incorporate both large- and small-scale fading effects and provides a comprehensive summary of the key findings.
We consider a full-duplex (FD) multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) system with low-resolution quantizers at an access point (AP). In the considered FD system, there are main bottlenecks: self-interference (SI), co-channel interference (CCI), and quantization errors. In this paper, we propose a novel precoding and combining method to maximize the sum spectral efficiency (SE) by incorporating the effect of the quantization errors as well as the SI and CCI. Since the beamformers are intertwined with the quantization errors, SI, and CCI, it is highly challenging to solve the sum SE maximization problem. To address the challenges, we convert the problem into the Rayleigh quotient form. Then, we derive the first-order optimality condition with interpreting it as a generalized eigenvalue problem by leveraging the principle of the Rayleigh quotient problem. Accordingly, we adopt a power iteration method for identifying the leading eigenvector: the best local optimal precoding solution. Consequently, we propose an alternating algorithm to jointly optimize the precoder and combiner. Simulations validate the proposed algorithm.
본 논문은 거리에 따른 가시거리(line-of-sight, LOS) 및 비가시거리(non-line-of-sight, NLOS) 쉐도잉 채널에서의 전파확률을 고려하여 위성 네트워크의 커버리지 성능을 조사한다. 지상 네트워크에 사용되는 확률 기하학 기반의 네트워크 분석으로, 위성 네트워크와 이에 해당하는 사용자를 모델링하기 위해 포아송 점 과정(Poisson point process, PPP)을 사용한다. 가장 가까운 위성과 연결하는 원칙하에서 빔 이득을 고려하여, 커버리지 확률에 대해 이론적으로 정의함으로써 위성 네트워크를 분석한다. 이와 같이 정의된 표현은 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있으며, 위성의 밀도, 고도, 채널 페이딩, 경로 손실, LOS 확률 및 빔 이득과 같은 다양한 네트워크 매개변수를 포함하여 위성 네트워크에 대한 중요한 통찰력을 제공한다
@article{2023_KICS_fall,title={{빔 이득을 고려한 쉐도잉 채널에서의 다운링크 위성 네트워크 분석}},author={Kim, S. and Yoo, S. and Choi, J.},journal={KICS},pages={340--341},year={2023},url={https://www-dbpia-co-kr.libra.kaist.ac.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE11667292&width=1237}}
본 논문은 컴바이너가 주어져 있는 상황에서의 저해상도 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC) 및 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter, DAC)를 고려한 단일 셀 전이중(full-duplex, FD) 전송 다중 사용자 및 다중 안테나 시스템에 대한 에르고딕 합 스펙트럼 효율(ergodic sum spectral efficiency, ergodic sum SE)을 최대화하는 프리코더 설계 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 전이중 전송에서 발생하는 자체 간섭(self-interference, SI) 및 채널 간 간섭(co-channel interference, CCI)를 최소화하고 동시에 각 링크의 총합 스펙트럼 효율을 최대화하기 위한 최적화 문제를 정의한 이후, 최적화 조건을 도출하는 것으로부터 문제를 해결하여 가장 최적인 프리코더를 찾는다. 해당 알고리즘이 기존 기법과 비교하여 에너지 효율 및 성능 측면에서 우수함을 보였다.
@article{2023_KICS_winter,title={{양자화된 전이중 다중 사용자 및 다중 안테나 시스템에 대한 프리코더 설계}},author={Yoo, S. and Park, S. and Choi, J.},journal={KICS},pages={1293--1294},year={2023},url={https://www.dbpia.co.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE11227863}}
This paper is a new experiment of a autonomous controlled prototype to implement the edge computing and the cloud computing useful for smart marine logistics. At first, this paper defines the scope of project which is consisted of a ‘cargo ship’mockup and a dock of berth facility. Secondly, this paper have a new experiment of a autonomous controlled prototype to implement the edge computing to control the docking information with a show in the webpage of a smart phone and the mechanism of saving and inquiry for docking information based on the newest cloud computing of GCP (Google Cloud Platform). Finally, this paper forecasts the innovative marine logistics to use the smart ship and smart dock for all world-wide ports’ competitiveness and safety of all ships and docks.
@article{2020_KIPS_ICT2,title={{스마트 해상물류용 엣지 컴퓨팅 및 클라우드 컴퓨팅을 구현할 자율제어 시작품의 새로운 실험}},author={Kang, Y. and Kang, Y. and Shin, J. and Yoo, S. and Yoo, S.},journal={IEIE},pages={659--660},year={2020},url={https://www.dbpia.co.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE10521888}}
Winning the Encouragement Award in the Free Topic Category of Hanium ICT Contest, Ministry of Science and ICT, Korea
본 논문은 사물인터넷과 인공지능을 융합하여 영상 데이터양을 감소시켜 실시간 모니터링의 어려움을 해소하고, 불법 침입 및 이상징후 차단, 화재 징후를 효율적으로 포착하고 관리하여 범죄 차단 및이상징후 차단을 목적으로 설계한 시스템을 소개하고 있다
@article{2020_KIPS_ICT3,title={{사물인터넷 센서와 인공지능을 이용한 이상 징후 차단 보안관리 시스템}},author={Kang, Y. and Kang, Y. and Shin, J. and Yoo, S. and Yoo, S.},journal={KIPS},pages={897--900},year={2020},url={https://koreascience.kr/article/CFKO202025036304332.page},}
Winning the Silver Prize in the Smart Marine Logistics Category of Hanium ICT Contest, Ministry of Science and ICT, Korea
본 논문은 스마트 해상 물류에 필요한 최신 Edge Computing과 인공지능을 구성한 자율 접안 시뮬레이터의 개발이다. 먼저, 스마트 해상 물류에서 선박의 접안에 관한 요구 사항을 분석하고, 다음으로그 분석된 결과를 사용하여 서비스, 시스템, 핵심부품을 설계하고 제작한다. 결국, 본 논문은 스마트해상물류에 필요한 자율접안 시뮬레이터를 개발한다. 향후, 본 논문은 실제 스마트 해상 물류에 필요한 Edge Computing과 인공지능의 기계 학습 알고리즘을 개발할 계획이다
@article{2020_KIPS_ICT1,title={{스마트 해상물류용 최신 에지 컴퓨팅과 인공지능을 구성한 자율접안 시뮬레이터의 개발}},author={Kang, Y. and Kang, Y. and Shin, J. and Yoo, S. and Park, S.},journal={KIPS},pages={589--592},year={2020},url={https://koreascience.or.kr/article/CFKO202025035998259.page},}
본 논문은 표적의 방위각(azimuth angle)과 고도각(elevation angle)을 진폭 감지(amplitude sensing) 합-차(sum-difference)방식으로 추정하여 목표물을 추적하는 모노펄스(monopulse) 레이더에 대하여 각도기만(angle deception) 기법 중 하나인 교차극성(cross-polarization) 재밍을 적용하는 시스템을 모델링하고, 레이더 각도 추적 오차의 시뮬레이션 결과를 제시한다.
@article{2020_KICS_Radar2,title={{모노펄스 레이더에 대한 교차극성 재밍 기법의 각도기만 모델링}},author={Yoo, S. and Jo, B. and Park, S.},journal={KICS},pages={1346--1347},year={2020},url={https://www.dbpia.co.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE10499064&googleIPSandBox=false&mark=0&ipRange=false&b2cLoginYN=false&isPDFSizeAllowed=true&accessgl=Y&language=ko_KR&hasTopBanner=true}}
본 논문은 교차위상 재밍(cross-eye jamming) 상황에서 재밍 신호의 지표 반사(terrain bounce)를 고려하여 레이더 각도 추적에 미치는 영향을 모델링한다. 레이더의 각도 추적은 진폭 감지(amplitude sensing)와 합-차(sum-difference) 검출의 모노펄스(monopulse) 방식을 사용한다. 지표 반사로 인해 생성된 전체 산란장(scattered field)에 대한 분석을 바탕으로 레이더의 각도추적 오차를 계산하여 교차위상 재밍의 성능을 높일 수 있는 방법을 제시한다.
@article{2020_KICS_Radar1,title={{교차위상 재밍 상황에서 지표 산란에 대한 레이더 각도 추적 영향 분석}},author={Hwang, H. and Yoo, S. and Park, S.},journal={KICS},pages={1340--1341},year={2020},url={https://www.dbpia.co.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE10499061&googleIPSandBox=false&mark=0&ipRange=false&b2cLoginYN=false&isPDFSizeAllowed=true&accessgl=Y&language=ko_KR&hasTopBanner=true}}