A common model for transmission over wireless links is that of a multiantenna (MIMO) system affected by an additive interfering signal. In some scenarios of interest, such as when the interferer is located close to the transmitter and performs retransmissions, interference may be learned by the transmitter, but remain unknown at the receiver. In this case, it is well known that, if transmitter and receiver have perfect channel state information (CSI), then a technique called Dirty Paper Coding (DPC) is able to fully mitigate the interference. Instead, with imperfect or no CSI, as in the problem of interest here, the optimal strategy is unknown. A promising solution is to use a natural extension of DPC that is typically referred to as Linear Assignment Gel`fand-Pinsker Coding (LAGPC).
This thesis studies the impact of imperfect or no CSI on a MIMO system with interference and compares the performance of LAGPC, which is reduced to DPC if CSIT available, with that of a scheme where interference is decoded at the receiver, which we refer to as beamforming with joint decoding (BF-JD). Unlike LAGPC, which models the interference as an ``unstructured`` random process, BF-JD exploits the fact that the interfering signal is a codeword of the interferer`s codebook. The structure of the interference arises due to the fact that the interfering transmission is often the intended codeword for a different receiver.
For imperfect CSI scenarios (i.e., (i) imperfect CSI at the transmitter (CSIT) and perfect CSI at the receiver (CSIR) (ii) imperfect CSIT and CSIR), we provide the achievable rates of LAGPC and BF-JD and it is demonstrated by analysis and numerical results that BF-JD provides advantages over LAGPC when CSI is imperfect at the transmitter but perfect at the receiver, whereas this is not the case for the case of imperfect CSI at both transmitter and receiver. When no CSI is available at the transmitter while available at the receiver, we further provide the performance analysis of the BF-JD scheme in the high and low-SNR regimes, along with numerical results for intermediate SNR regimes for ergodic fading channels. The performance of LAGPC and BF-JD over quasi-static fading channels is also addressed.
Overall, it is demonstrated by analysis and numerical results that BF-JD provides advantages over LAGPC when the interfering transmission rate is small enough.
본 학위 논문의 주제는 다중 안테나를 가진 간섭이 존재할 때 다중 안테나 시스템의 성능에 대한 연구이다. 특히, 간섭의 정보를 송신단에서 알고 있을 때에 이 정보를 어떻게 활용하는 것이 간섭 제거에 효율적이며 시스템의 성능을 증진 시킬 것인지에 대하여 초점을 맞추고 있다. 또한, 이러한 시스템에서 송신단 또는 수신단에서 가지고 있는 채널 정보의 영향에 대해 시스템의 성능을 분석한다.
간섭의 신호 역시 통신을 하기 위한 유효한 신호라는 특성을 생각 해 볼 때에, 이 역시 특정 codebook의 codeword라고 여겨질 수 있다. 이러한 간섭 구조 (structure of the interference)의 이용 여부에 따라 시스템 신호처리 방식을 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는, 간섭 신호를 송신단에서 실제 전송하고자 하는 신호와 함께 encoding 함으로써 수신단에서 간섭 신호를 decoding 하여 제거할 수 있도록 도와주는 방식으로, 이 방식은 beamforming with joint-decoding (BF-JD)라 불리운다. 두 번째 방식은 간섭 신호가 미치는 부정적인 효과를 송신단에서만 처리하여 (precoding) 제거하는 방식이며 이 방식은 linear assignment Gel’fand-Pinsker coding (LAGPC)라 명명된다.
송신단과 수신단에서 채널 정보가 완벽할 경우에는, LAGPC 방식이 간섭을 완벽히 제거함으로써 최적의 신호처리 방식으로 알려져 있다. 하지만, 본 학위 논문에서는, 송신단 또는 수신단에서 채널 정보가 부족 할 경우에는 LAGPC 방식이 더 이상 간섭을 완벽히 제거할 수 없다는 것을 확인하였으며, 더불어, 송신단에서의 채널 정보가 수신단이 가지는 채널 정보에 비해 부정확 할 경우, BF-JD 방식을 이용하여 간섭의 구조를 이용하는 것이 LAGPC 방식에 비하여 우수한 성능을 보일 가능성이 있음을 알 수 있었다. 특히, BF-JD은 간섭의 rate이 충분히 작을 경우 그 우수성을 잘 보여준다. 이를 증명하기 위하여, 본 학위 논문에서는 LAGPC와 BF-JD 방식의 ergodic achievable rate 또는 outage probability를 비교하였다. 종합적으로, 본 학위 논문은, 간섭의 구조를 송신단에서 앎으로써 그 정보를 이용하는 것이 간섭 제거에 효율적이며 따라서 매우 중요하다는 것을 증명하였다.
