Interference management is essential for improving the system performance in multiuser communications, and it becomes more important as the number of users (K) increases. Key features of interference management can be obtained by exploring the interference channels (ICs). Since the exact capacity of the IC is still unknown in general even for the two user case, approximate characterization by finding the optimal degrees of freedom (DoF) of IC has been investigated for many cases recently. Especially when K 3, a novel interference management scheme called interference alignment (IA) has been shown to achieve the optimal DoF of full-rank ICs recently. However, for rank-deficient ICs, the optimal DoF and suitable schemes are still unknown.
In this thesis, we study the DoF of rank-deficient ICs. We propose novel interference management schemes suitable for rank-deficient channels that can improve the DoF substantially. Furthermore, to achieve a higher DoF, we introduce polarimetric antenna arrays, relays, and feedback for rank-deficient ICs and investigate their effects on the DoF. Specifically, we first focus on the line-of-sight (LoS) channel and analyze an achievable DoF of the K-user IC with polarization. An array of polarimetric antennas, each composed of three orthogonal electric dipoles and three orthogonal magnetic dipoles in which all six elements are co-located, is used in this case. For a K-user LoS IC with single polarization, the maximum achievable total DoF is only K regardless of the number of transmit and receive antennas at each node due to the key-hole effect. If polarimetric antennas are used at each node, a trivial upper bound on the DoF is now 2K. We show the optimal DoF of 2K is achievable if M>K+1/6 polarimetric antennas are used at each node for any K. In addition, we obtain minimal antenna configurations that achieve this upper bound for K < 5.
Second, we analyze the achievable total DoF of the time-varying K-user rank-deficient (M,N,D) IC in which each transmitter and receiver uses M and N antennas, respectively, and the rank of each channel matrix is equal to D<=min(M, N). We show that the total DoF of min (DK, max (M+N-D, DLK/(L+1)) is achievable, where L = max(M,N)/D. The result shows that the achievable total DoF of the K-user (M,N,D) IC has similar tendency to that of the full rank IC.
Third, rank-deficient multiple-input multiple-output (MIMO) relay IC is investigated in which K source-destination pairs communicate with the help of N relays. For the K-user rank-deficient MIMO IC with no relays, an achievable total DoF is upper bounded by Krds, where rds denotes the rank of each point-to-point channel matrix. However, if relays assist the communication, we show that there can be significant improvement on the DoF compared to the case where there is no relay. The proposed cooperative relaying uses relays not only for increasing ranks of desired channel matrices but also nullifying inter-user interference.
Finally, we investigate the total DoF of the K-user rank-deficient IC with feedback. For the two-user case, we characterize the total DoF by developing an achievable scheme and deriving a matching upper bound. For the three-user case, we develop a new achievable scheme which employs IA to utilize the dimension of received signals efficiently. In addition, we derive an upper bound for the general K-user case, and show the tightness of the bound when the number of antennas at each node is sufficiently large as compared to K. As a consequence of these results, we show that feedback can increase the DoF when the number of antennas at each node is large enough as compared to the ranks of channel matrices. This finding is in contrast to the full-rank IC where feedback provides no DoF gain. The gain comes from using feedback to provide alternative signal paths, thereby effectively increasing the ranks of desired channel matrices.
다수의 사용자가 존재하는 통신 시스템의 전송률을 효과적으로 높이기 위해서는, 사용자 간의 간섭을 제어하는 것이 매우 중요하다. 간섭제어기법에 대한 핵심 아이디어는 간섭채널을 연구함으로써 얻을 수 있으며, 이에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 가장 간단한 경우인 두 사용자 간섭채널에서조차 특별한 경우를 제외하고는 채널용량이 아직까지 밝혀져 있지 않다. 따라서 최근에는 채널용량을 정확히 알아보는 대신, 높은 신호 대 잡음 비 대역에서의 전송률의 경향을 보는 다중화 이득에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 각 노드의 안테나 수에 비해 독립적인 신호경로의 수가 적은 랭크가 부족한 채널의 경우 (Rank-deficient channel), 다중화 이득 및 적합한 간섭제어 기법에 대해 아직까지 알려져 있지 않다.
본 논문에서는 랭크가 부족한 간섭채널의 다중화 이득에 대해 살펴보았다. 랭크가 부족한 채널에 알맞은 간섭제어 기법을 새롭게 제안하였으며 달성 가능한 다중화 이득에 대해 분석하였다. 또한, 랭크가 부족한 것을 극복하기 위해, 편파 안테나, 릴레이, 피드백을 도입하여 더 높은 다중화 이득을 얻을 수 있음을 보였다.
구체적으로, 먼저 노드 사이의 경로가 하나인 $K$ 사용자 가시선 채널에서 편파 안테나를 썼을 때 얻을 수 있는 다중화 이득에 대해 분석하였다. 이 연구에서는 3개의 전기적 다이폴과 3개의 자기적 다이폴로 구성된 편파 안테나를 사용하였으며, 이때 얻을 수 있는 최대 다중화 이득인 2K 를 달성하는 기법을 제안하였다. 결과적으로, M>(K+1)/6 개의 편파 안테나를 사용하면 최대 다중화 이득을 달성할 수 있음을 보였다.
둘째로, 앞서 제안된 기법을 일반화 시켜, 채널랭크가 임의의 값을 갖는 랭크가 부족한 채널의 다중화 이득에 대해 분석하였다. 각 채널랭크 값에 알맞은 간섭제어 기법을 제안하였으며, 이를 통해 채널 랭크가 다중화 이득에 미치는 영향을 새롭게 밝혀내었다.
셋째로, 릴레이를 이용하여 다중화 이득을 증가시키는 기법을 연구하였다. 이 연구에서는 릴레이를 능동적인 반사체로 써서, 부가적인 다중경로를 제공할 뿐만 아니라 간섭도 제어하는 새로운 기법을 제안하였다. 이를 통해 랭크가 부족한 간섭채널에서 릴레이를 사용하면, 릴레이가 채널정보를 가지고 있지 않은 상황에서조차 다중화 이득을 증가시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다.
마지막으로, 피드백이 다중화 이득에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 사용자가 두 명인 경우 최적의 다중화 이득을 밝혀내었으며, 사용자의 수가 세 명 이상인 경우 간섭정렬기법과 피드백 기법을 결합한 새로운 간섭제어기법을 제안하고 이때 얻을 수 있는 다중화 이득에 대해 분석하였다. 결과적으로, 피드백이 있는 경우 새로운 신호 경로를 만들 수 있기 때문에, 랭크가 부족한 현상을 극복하고 더 높은 다중화 이득을 얻을 수 있음을 보였다.
