Since many concurrent wireless communication systems can be modeled as multi-user interference channels, interference management in this channel becomes an important issue in design for wireless communication systems. In this thesis, we propose interference management schemes to mitigate interferences in various wireless communication systems such as overloaded multiple-input multiple-output (MIMO) interference systems, multi-user ad-hoc systems, and multi-cell cellular systems with wired/wireless relays. This thesis consists of three part, those are as follows.
In the first part of the thesis, a new transceiver architecture for overloaded MIMO interference channels is proposed to fix the rate saturation problem of purely linear beamforming in this case. The proposed scheme is based on a mixture of linear beamforming and multi-user detection. We develop a process for designing proposed nonlinear scheme and a special case, thereof called successive interference cancellation, analyze their achievable degrees of freedom. It is shown that a non-trivial degree of freedom can be achieved by the proposed mixed scheme by properly dividing the interference signals for linear processing and multiuser detection, and the achievable degrees of freedom of the proposed scheme is obtained. The sum rates of proposed nonlinear scheme is compared with that of linear beamforming. Numerical results show that the proposed scheme outperforms linear beamforming in overloaded MIMO interference channels.
In the second part of the thesis, a cellular network architecture with a wired shared relay equipped with directional antennas is proposed to mitigate inter-cell interferences, where shared relay is placed at the intersection of adjacent cells. This location is where the inter-cell interference is the most severe. In the proposed architecture, the shared relay is connected to the corresponding BS by a reliable link like an optic fiber, and thus the shared relay will operate as a remote antenna of the corresponding BS. Since the proposed relay has directional antennas, the inter-cell interferences are reduced. Also, redundantly frequent handovers can be avoided because the cell boundary is clearly determined by the proposed shared relays. Numerical results show that the proposed cellular network outperforms the cellular network with separate relay with omni-directional antennas.
In the third part, the use of wireless shared relay equipped with directional antennas is proposed in the cellular network to reduce interferences from other cells, where wireless shared relays is placed at the cell edge and a directional antenna at the proposed shared relay faces to the corresponding BS. Advantages of the proposed shared relay compared to the MIMO technique based conventional shared relay are described. In addition, a simple analysis is performed to compare performances of the proposed shared relay and the conventional shared relay in terms of average signal to interference and noise ratio (SINR). Computer simulation demonstrates that the proposed shared relay is simpler than the conventional shared relay, but the performance of the proposed shared relay is higher than that of the conventional shared relay in multi-cell environments.
현재 사용되는 무선 통신 시스템들은 대부분 다중 사용자 간섭 채널로 모델링 될 수 있기 때문에, 이와 같은 채널에서의 간섭 관리 기법 연구는 무선 통신 시스템 설계에 있어서 중요하다. 본 논문에서는, 다양한 무선 통신 시스템을 위한 간섭 관리 기법들을 제안 하였다. 제안한 간섭 관리 기법들은 과다 사용자 다중 안테나 간섭 시스템, 애드혹 (ad-hoc) 시스템, 유/무선 중계기를 사용하는 다중 셀 통신 시스템을 위한 간섭 관리 기법들로 요약된다.
논문의 첫 부분에서는, 과다 사용자 다중 안테나 간섭 시스템에서 선형 빔포밍 (linear beamforming)만을 사용할 때 발생되는 전송률 포화 (saturation) 문제를 해결하기 위하여 비선형 송수신기 구조를 제안하였다. 제안하는 비선형 송수신기는 선형 빔포밍과 다중 사용자 디코딩 (multi-user decoding)을 결합하여 구현한다. 또한, 제안 방안의 설계 과정을 제시하고, 제안 방안에서 사용되는 다중 사용자 디코딩의 특수 경우인 연속 간섭 제거 (successive interference cancellation)기술을 사용할 때의 달성 가능한 자유도 (achievable DoF)를 분석하였다. 제안 방안에서는, 간섭 신호들의 일부는 선형 빔포밍을 통해 억제하고, 나머지 간섭 신호들은 다중 사용자 디코딩을 통해 다룸으로써, 선형 빔포밍만을 사용할 때와 달리, 전송률 포화 문제를 해결할 수 있다. 모의 실험을 통해 과다 사용자 다중 안테나 간섭 시스템에서, 제안 방식과 기존의 선형 빔포밍 방식을 비교하였고, 이를 통해 제안 방식이 기존의 선형 빔포밍 방식보다 우수한 성능을 보임을 검증하였다.
두 번째로, 유선 중계기를 사용하는 다중 셀 통신 시스템에서의 인접 셀 간섭을 줄이기 위해 방향성 안테나를 가지고 있는 공유 중계기의 사용을 제안하였다. 제안하는 공유 중계기는 기지국과 유선으로 연결되어 있기 때문에, 기지국에서 사용되는 일종의 원격 (remote) 안테나처럼 동작하고, 인접 셀 간섭이 가장 심한 곳 (예: 셀들이 겹치는 지역)에 위치한다. 제안 중계기는 방향성 안테나를 사용하기 때문에 다른 셀로 넘어가는 간섭 신호의 양을 줄일 수 있고, 셀 경계에서 셀 사이를 이동할 때, 단말이 수신하는 신호의 세기차이가 크기 때문에 애매모호한 셀 경계 지역이 사라져서 핸드오버 성능을 높일 수 있다. 또한, 모의 실험을 통해 기존의 등방성 안테나를 가지는 독립된 중계기를 사용하는 다중 셀 통신 시스템보다 제안 공유 중계기를 사용하는 다중 셀 통신 시스템이 더 높을 성능을 보여준다는 것을 검증하였다.
세 번째로, 무선 중계기를 사용하는 다중 셀 통신 시스템에서의 인접 셀 간섭을 줄이기 위해 방향성 안테나를 가지고 있는 공유 중계기의 사용을 제안하였다. 제안하는 방향성 안테나 기반의 공유 중계기와 기존의 다중 안테나 기술 기반 공유 중계기를 사용했을 때의 평균 신호 대 간섭 잡음 비 (average SINR)를 분석하였다. 그리고 모의 실험을 통해 다중 셀 통신 시스템에서, 제안하는 공유 중계기는 기존 중계기보다 더 낮은 복잡도를 가지지만, 더 높은 성능을 보여준다는 것을 검증하였다.