In this dissertation, we propose interference management schemes via opportunistic user selection in wireless communications. First, we propose opportunistic interference alignment (OIA) for three-transmitter multiple-input multiple output (MIMO) interference channel (IC). In the proposed OIA scheme, each transmitter has its own user group that consists of $N$ users, and each transmitter opportunistically selects the user whose received interference signals are most aligned. Contrary to conventional IA, perfect channel information for all of the interference links is not required at the transmitter. Each user just needs to feed back one scalar value in the proposed OIA scheme. When the number of receive antennas is $N_R$ (with $N_R=2M$) and the number of transmit antennas is $N_T$ (with $N_T\ge M$), we prove that each transmitter can achieve $M$ degrees of freedom (DoF) as the number of users in each group goes to infinity ($N\to\infty$), in comparison with the $\frac{2M}{3}$ DoF known to be achievable in the three-transmitter $M \times 2M$ MIMO IC. We also show that the user scaling $N\propto P^{\alpha M^2}$ enables the network to achieve $M$ DoF per transmitter where $P$ is transmit power, and $\alpha$ is the relative path loss of the interfering channel in decibels.
Then, we investigates how multiuser dimensions can effectively be exploited for target DoF in interfering broadcast channels (IBC) consisting of $K$-transmitters having a single antenna. In the IBC, each transmitter selects and serves a single user in its user group so that a $K$-user IC is constructed after user selection. Without help of multiuser diversity, $K-1$ interfering signals cannot be perfectly removed in the $K$-user IC since the number of receive antennas at each user is assumed to be smaller than or equal to the number of interferers. Only with proper user selection, non-zero DoF per transmitter is achievable as the number of users increases. Through geometric interpretation of interfering channels, we derive the sufficient user scaling for target DoF $d$ per transmitter less than 1 and show that the target DoF is enough to achieve by devoting the whole multiuser dimensions to reducing the DoF loss caused by interfering signals. On the other hand, if the target DoF per transmitter is greater than one, we show that the multiuser dimensions should be exploited to make the DoF loss zero and to increase the DoF gain to the target DoF. The sufficient number of users for target DoF greater than one is also derived. We also discuss how the optimal strategy of exploiting multiuser diversity can be realized by practical user selection schemes.
Finally, we propose opportunistic jammer selection in a wireless security system for increasing the secure DoF between a transmitter and a legitimate receiver (say, Alice and Bob). There is a jammer group consisting of $S$ jammers among which Bob selects $K$ jammers. The selected jammers transmit independent and identically distributed Gaussian signals to hinder the eavesdropper (Eve). Since the channels of Bob and Eve are independent, we can select the jammers whose jamming channels are aligned at Bob`s receiver, but not at Eve`s receiver. As a result, it is shown that Eve cannot obtain any DoF unless it has more than $KN_j$ receive antennas, where $N_j$ is the number of jammer`s transmit antenna each, and hence $KN_j$ can be regarded as defensible dimensions against Eve. For the jamming signal alignment at Bob, we propose two opportunistic jammer selection schemes and find the scaling law of the required number of jammers for target secure DoF by a geometrical interpretation of the received signals.
본 논문에서는 다수의 유저의 유저가 있는 환경에서 기회적 유저 선택을 통한 간섭 제어 기법을 제안하였다. 특히 총 간섭의 차원이 각 유저의 수신 안테나 수 보다 클 때, 유저 디멘전을 이용하여 간섭들을 더 적은 공간에 정렬시키는 기법들을 제안하였다.
첫 번째로는 세 개의 송신단이 존재하는 간섭 채널에서 기회적 간섭 정렬 기법을 제안하였다. 기회적 간섭 정렬 기법은 간섭 정렬 기법의 현실적인 구현 기법으로 송신단에서 랜덤 빔을 이용하여 간섭이 잘 정렬된 유저를 선택하여 서비스 하는 기법이다. 따라서 송신단에서 제한된 채널 정보로도 구현이 가능하며 심볼 확장이나 송신단 간의 협동이 필요하지 않다. 각 송신단이 $M$개의 스트림을 보낼 때 유저가 송신 신호의 세기에 따라 증가하면 간섭이 정렬된 유저를 선택함으로써 각 유저가 $2M$개의 안테나 만을 가지고도 0보다 큰 DoF를 얻을 수 있음을 보였다.
두번째로는 $K$개의 송신단이 존재하는 간섭 채널에서 $K$보다 작은 수의 안테나를 가진 유저들이 다수 존재할 때 유저 디멘전이 어떻게 사용되어야 하는지 보였다. 만약 고정된 수의 유저가 존재할 때 각 유저들은 간섭을 완전히 제거할 수 없기 때문에 DoF를 얻을 수 없다. 하지만 유저의 수가 증가할 수록 송신단에서 얻을 수 있는 성능이 증가하기 때문에 0보다 큰 DoF를 얻을 수 있다. 이 때 유저 디멘전은 원하는 신호의 세기를 증가시키거나 간섭의 신호의 세기를 감소시키는 데에 이용될 수 있다. 기하학적 분석을 통하여 유저 디멘전이 간섭의 신호를 줄이기 위해 우선적으로 사용되어야 하고, 그 다음으로 자기 신호를 증가시키는데 사용되어야 함을 수학적으로 증명하였다.
세번째로는 보안을 필요로 하는 무선 통신 시스템에서 기회적 재머(jammer) 선택을 통하여 Secure DoF를 얻는 방법을 제안하였다. Alice와 Bob이 통신을 하고 있고, Eve가 이를 엿듣고 있다. 이 때 Eve의 도청을 방어하기 Bob은 $S$개의 재머를 가지고 있고, 그 중에 $K$개의 재머를 선택하여 i.i.d. Gaussian jamming 신호를 전송하게 한다. 이 때 선택된 재머로부터 전송되는 jamming 신호는 Bob과 Eve 모두에게 간섭으로 작용하게 된다. 기회적 재머 선택에서는 Bob이 자신에게 정렬된 신호를 보낼 수 있는 재머들을 선택하여 jamming 신호를 전송하게 한다. 이 때 Bob의 재머 선택은 Eve에게는 랜덤 선택이므로 선택된 재머로부터 오는 jamming 신호가 Bob에서는 정렬되지만 Eve에서는 정렬되지 않는다. 따라서 Bob은 $KNj$보다 작은 안테나를 가진 Eve를 무력화 시킬 수 있고, 정렬된 jamming 신호들을 받음으로써 $Nt+Nj$의 안테나를 가지고도 Secure DoF를 얻을 수 있다.
