In this thesis, we develop and analyze interference management techniques for efficient multi-user communications. We investigate how to suppress multi-user interferences effectively. Specifically, we consider interference management techniques using transmit and/or receiver beamforming to optimize our communication systems in the sense of multiplexing gain [1] or arbitrary weighted sum-rate.
In the first chapter, the multiplexing gain of $\It{K}$-user interference channel with partially connected interfering links is analyzed. The motivation for the partially connected links comes from the fact that not all interferences are equally strong in practice. The multiplexing gain is characterized as a function of the number ($\It{K}$) of users and the number ($\It{N} \ge 1$) of interfering links. Our analysis is mainly based on the interference alignment (IA) technique to mitigate interference. Our main results are as follows: One may expect that higher multiplexing gain can be attained when some of interfering links do not exist. However, when $\It{N}$ is odd and $\It{K}$=$\It{N}$+2, the multiplexing gain is not increased beyond the optimal multiplexing gain of fully connected interference channel, which is $\frac{\It{KM}}{2}$ with $\It{M}$ number of antennas. The number of interfering links has no influence on the achievable multiplexing gain using IA, but affects the efficiency in terms of the number of required channel realizations: When $\It{N}$=1 or 2, the optimal multiplexing gain of the fully connected interference channel is achievable with a finite number of channel realizations. In case of $\It{N} \ge 3$, however, the multiplexing gain of $\frac{\It{KM}}{2}$ can be achieved asymptotically as the number of channel realizations tends to infinity.
In the second chapter, an efficient IA scheme is developed for $\It{K}$-user single-input single -output frequency selective fading interference channels. The main idea is to steer the transmit beamforming matrices such that at each receiver the subspace dimensions occupied by interference-free desired streams are asymptotically the same as those occupied by all interferences. Our proposed scheme achieves a higher multiplexing gain at any given number of channel realizations in comparison with the original IA scheme, which is known to achieve the optimal multiplexing gain asymptotically.
In the third chapter, an IA algorithm for multi-user wireless X-network is developed, where all transmitters and all receivers are equipped with arbitrary number of multiple antennas. The main idea is that transmit and receive beamforming matrices are chosen such that total interference power is arbitrarily close to zero as iteration progresses, and effective channel matrix at each receiver has full-rank, which generalizes the conventional IA algorithm for interference networks proposed by Gomadam $\It{et al}$.The proposed algorithm can be a reasonable candidate for choosing properly designed beamforming matrices to find the achievable multiplexing gain, which leads to understanding of fundamental limits of general multi-user communications.
Finally, in the fourth chapter, we propose adaptive beamforming techniques for multi-user multiple-input single-output interference channel with correlated block fading. Our main idea is to find nearly optimal beamforming vectors adaptively at the present coding block based on optimal ones at the previous coding block, which becomes effective as the fading channel becomes highly correlated. Under single-user decoding constraint at each receiver, without exhaustive search among all possible beamforming vectors, the proposed adaptive schemes make systematic and immediate beamforming design possible with the performance close to the optimal arbitrary weighted sum-rate.
일반적으로, 효율적인 다중 사용자 통신을 하기 위해서는 시간, 주파수, 그리고 공간과 같은 자원을 여러 사용자가 불가피하게 공유해야 하므로, 다중 사용자 간섭이 발생하게 된다. 이 논문에서는, 효율적인 다중 사용자 통신에 알맞은 다중 사용자 간섭 처리 기법을 연구했다.
먼저, $\It{K}$ 사용자 간섭 채널에서 점근적인 성능 잣대인 다중화 이득을 연구했다. 주요 결과 가운데 하나는, 각 수신단에 영향을 미치는 간섭 링크의 수가 1 또는 2일 때 간섭 링크가 모두 존재하는 경우보다 더욱 효율적인 통신이 가능하다는 것이다. 하지만, 각 수신단에 걸리는 간섭 링크의 수가 3 보다 크거나 같으면, 최적의 다중화 이득을 얻기 위해서 점근적으로 많은 슬롯이 요구된다. 한편, 몇 가지 간섭 채널에서는 $\It{Theorem 1 }$에서 보인 다중화 이득에 대한 상위 한계가 점근적으로 많은 슬롯을 써서 달성되는 다중화 이득보다 큼을 보였다. 링크가 모두 연결된 간섭 채널과 견주어 부분적으로 연결된 간섭 채널에서는 연결된 링크 수가 줄어들수록 최적의 다중화 이득이 증가할 것으로 생각할 수 있다. 하지만, 예상과 달리 자연수 p에 대해서 각 수신단에 걸리는 간섭 링크의 수가 2p+1이고 $\It{K}$=$\It{N}$+2인 경우에는 최적의 다중화 이득은 모두 연결된 간섭 채널의 최적의 다중화 이득과 같은 $\It{KM/2}$임을 알 수 있었다. 향후 연구 계획은, 부분적으로 연결된 간섭 링크 패턴이 일반적인 상황에서 간섭 채널의 다중화 이득을 분석하고 이를 달성하는 기법을 제안하는 것이다.
신호 공간 관점에서 간섭 정렬 기법의 핵심은 간섭의 영향을 받지 않는 원하는 스트림의 총 수를 최대화시키도록 빔형성 행렬을 디자인하는 것에 달려 있다. [29]에서 나온 간섭 정렬 조건을 만족시키는 효율적인 빔형성 기법을 제안함으로써 우리는 $\It{K}$ 사용자 단일 입력 단일 출력 주파수 선택적 감쇄 간섭 채널에서 기존의 간섭 정렬 기법보다 $\It{K} \geq 4$ 일 때 더 높은 다중화 이득을 얻을 수 있는 더 효율적인 간섭 정렬 기법을 제안하였다. 이와 더불어 제안한 기법은 기존 기법과 마찬가지로 더 높은 효율성으로 최적의 다중화 이득을 점근적으로 얻을 수 있으며, 이를 (3.16) 에서 보였다. 제안한 기법은 자원을 공유하는 다양한 분산 환경 통신 상황에 효과적인 간섭 관리 기법으로 쓰일 수 있다.
다음으로, 임의의 다중 사용자 무선 X-네트워크에 알맞은 간섭 정렬 알고리듬을 제안하였다. 이 X-네트워크는 MAC, BC, 간섭 MAC, 그리고 간섭 BC 등을 비롯한 여러 다중 사용자 통신 환경을 포함하기 때문에 제안한 알고리듬은 다양한 다중 사용자 통신의 한계를 이해하는데 효과적으로 쓰일 수 있다. 이 알고리듬은 반복적인 최적화를 통해 총 간섭 전력이 0 이 되도록 송신 및 수신 빔형성 행렬을 만들며, 0 으로의 수렴은 보장이 된다. 한편, 기존의 간섭 채널에 알맞은 간섭 정렬 알고리듬과 달리 제안한 알고리듬은 Rank Test라는 부분을 필요로 한다. 이는 X-네트워크 특성상 모든 채널 링크가 바라는 링크인 동시에 간섭 링크가 되기 때문이다. 일반적으로, 임의의 X-네트워크에 대한 빔형성 행렬을 닫힌 꼴로는 아직까지 완벽히 풀리지 않은 상태이기 때문에, 제안한 알고리듬은 알고리듬적으로 빔형성 행렬을 유도한다는 의미에서 간섭 정렬 기법에 기여할 수 있다.
마지막으로, 다중 사용자 다중 입력 단일 출력 간쇄 간섭 채널에서 다중 사용자 간섭을 효과적으로 관리할 수 있는 새로운 적응적 빔형성 기법을 제안했다. 자원을 공유하는 다중 사용자 통신에서 효율적인 통신을 위해서 간섭은 피할 수 없는 요소 가운데 하나이다. 게다가, 간쇄 채널이 시간에 따라 변하는 경우, 간섭 관리 문제는 데이타 전송률을 높이는데 더욱 중요한 이슈가 된다. 이와 같은 상황에서 체계적인 빔형성 적응 기법을 제안하였다. 구체적으로는, 이전 코딩 블록에서 얻은 최적의 빔형성 벡터 또는 유효 간섭/신호 전력 정보를 바탕으로 현재 코딩 블록에 알맞은 빔형성 벡터를 찾는 것이다. 본질적으로, 이 적응 기법은 인접 채널 사이의 상관이 존재할 때 더욱 효과적이다. 수치 결과를 통해 인접한 두 코딩 블록 사이의 상관 계수가 높을 수록 제안한 적응 기법 모두 간섭을 잡음으로 처리한다는 것과 가우시안 입력이라는 범주 내에서 최적의 평균 sum-rate과 거의 같은 평균 sum-rate을 얻음을 보였다.
