Performance analysis of the opportunistic interference alignment in interfering multiple-access channels

Abstract

간섭 정렬 기법은 수신단에서의 간섭을 제한된 차원을 갖는 특정 공간에 정렬 시킴으로서 수신단에서 원하는 신호를 보호하고 간섭 채널 환경에서 사용자의 수에 비례하는 자유도를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 간섭 정렬의 기본 아이디어는 최근 다중 안테나 시스템 및 셀룰라 네트워크에서 다양하게 응용되고 있으며 이중 최근 제안된 기회적 간섭 정렬 (opportunistic interference alignment: OIA) 기술은 셀룰라 네트워크에서의 다중 사용자 이득을 기반으로 동작하며 수신전력 대비 잡음비의 특정 지수에 의해 사용자의 수가 증가할 경우 최적의 무선 신호 송신 자유도를 얻을 수 있음이 알려져 있다. 상향링크 네트워크에서의 기회적 간섭 정렬 기법은 각 기지국이 타 셀 기지국의 특정 수신 공간에 가장 작은 간섭을 발생시키는 사용자에게 패킷 전송 기회를 줌으로서 기지국 수신단에서의 간섭 정렬을 수행하며 이 때 각 기지국의 스케쥴링은 타 셀의 스케쥴링과 독립적으로 이루어지기 때문에 적은 피드백 오버헤드만으로 간섭 정렬을 구현할 수 있다는 장점을 가진다. 본 학위 논문에서는 스캐터링이 적은 상향링크 채널에서의 기회적 간섭 정렬의 성능을 분석한다. 본 논문에서는 $K$ 개의 셀이 있는 환경에서 얼마나 많은 사용자가 존재하여야 타겟 자유도를 얻을 수 있는지 분석하고 또한 각 셀 내의 사용자의 수에 따른 간섭량의 변화 추이에 대하여 분석한다. 본 논문에서는 각 셀 내의 사용자의 수가 $\mbox{SNR}^{(K-1)\min(L,S)}$ 보다 빠르게 증가할 때 무선 송신과정에서 $KS$ 자유도를 얻을 수 있음을 제시하였으며 이 때 $L$은 채널 환경에서의 유효 스캐터링의 수를 의미하며 $S$는 각 셀에서 동시에 패킷을 전송하는 사용자의 수를 의미한다. 또한 본 논문에서는 기지국 및 사용자가 다중 안테나를 가지고 있는 경우 사용할 수 있는 빔포밍 및 송신 전력 제어 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안된 알고리즘은 송신단에서의 전력을 제한함으로서 사용자의 필요 이상 전력 수요를 방지하고 각 기지국에서 발생할 수 있는 간섭량을 줄임으로서 에너지 효율 및 네트워크 전송 용량을 크게 향상시킬 수 있다. 그리고 본 논문에서는 다수 사용자가 존재하는 셀룰라 네트워크에서 경쟁 기반 피드백 프로토콜을 제안하였고 제안된 알고리즘의 경우 기존의 시분할 피드백 기법에 비해 피드백에 소요되는 시간을 상당히 줄일 수 있음을 보였다. 또한 본 학위 논문에서는 기회적 간섭 정렬의 실질적인 활용 측면에 대해 논의한다. 우선 본 논문에서는 기회적 간섭 정렬이 어떤 환경에서 기존의 셀별 시분할 전송 기법에 비해 높은 전송 용량을 얻을 수 있는지 제시하였으며 또한 수신단에서 최소 에러 기반 디코딩을 통해 전송 용량을 향상시킬 수 있음을 제시하였다. 그리고 본 논문에서는 실질적인 기회적 간섭 정렬 기법의 적용을 위해 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 시스템에서의 이슈들에 대해 분석하였으며 상향링크 뿐 아니라 하향링크 환경에서는 기회적 간섭 정렬 기법이 어떻게 적용될 수 있는지 구체적인 프로토콜을 제시하였다.