Interference alignment (IA) was proposed by fundamentally solving the interference problem. It is known that the IA scheme achieves $K/2$ degrees-of-freedom (DoF) in $K$-user interfering channels with time-varying channel coefficients assymptotically. Following up the success of IA, the underlying idea of IA has been widely applied to various network environments such as multiple-input multiple-output (MIMO) interference networks, X networks, and cellular networks. Among the proposed IA schemes, the opportunistic interference alignment (OIA), which operates in interfering cellular network, and is based on the multiuser diversity, is shown to achieve $KS$ DoF in $K$-cell interfering cellular networks provided that the number of per-cell users scales faster than $\mbox{SNR}^{(K-1)S}$ under the identically and independently distributed (i.i.d.) Rayleigh fading single-input multiple-output (SIMO) interfering multiple access channel (IMAC) model, where $S$ denotes the number of simultaneously transmitting users in a cell. In the OIA scheme, each base station (BS) gives transmission opportunities to $S$ users whose generating interferences are well aligned at the predefined specific subspaces of other cells and yield minimum leakage of interference. Since the OIA scheme operates in a distributed manner with an assumption of channel reciprocity and requires only a small amount of feedback overhead from each user, it is considered as a practical approach for the implementation of IA in the real interfering cellular network.
In this thesis, we analyze the performance of OIA in a poor scattering $K$-cell single-input multiple output IMAC, where there exist finite paths between the transmitter and receiver sides, which is feasible in practice. Under the model, we
derive a new fundamental user scaling law, required to achieve a target DoF, which generalizes the existing achievability result shown for the i.i.d. Rayleigh fading case. Our main result indicates that $KS$ DoF is achievable if the number of per-cell
mobile stations (MSs) scales at least as $\mbox{SNR}^{(K-1)\min(L,S)}$, where $L$ denotes the number of paths and $S$ denotes the number of simultaneously transmitting
MSs per cell. We also show how to obtain the non-integer DoF, when the above user scaling condition is not strictly satisfied for given system parameters. To verify our achievability result for finite system parameters, computer simulations are performed along with comparison to the i.i.d. Rayleigh channel case.
Also, we introduce an energy-efficient distributed OIA scheme that greatly improves the sum-rates in multiple-cell uplink networks while reducing the transmit power consumption compared to the conventional OIA scheme. In the proposed scheme, each user employs optimal transmit vector design and power control strategy in the sense
of minimizing the amount of generated interference to other-cell base stations while satisfying a given required signal quality. Our result indicates that owing to the
reduced interference level, the proposed OIA method attains larger sum-rates than those of OIA with no power control (i.e., with full transmit power) for almost all signal-to-noise ratio regions, thus resulting in improved energy efficiency.
In addition, we provide a feasible protocol for the feedback process of the OIA scheme. The overhead for the feedback from all the users in the network may reduce the overall packet transmission duration due to the limited coherence time. We propose a time-efficient feedback protocol for the OIA scheme, which only requires a limited feedback duration and is feasible for real cellular networks. The numerical evaluation results verify that the duration of the contention-based feedback process does not scale as the number of per-cell users gets increased.
Finally, we discuss the practical aspects of OIA in terms of the achievable throughput and implementation. We first provide operating regimes for the OIA scheme. To be specific, we provide the condition where the OIA can achieve a higher DoF than the time-sharing strategy. Then, we discuss the performance of the OIA scheme when the decoder based on the minimum mean square error (MMSE) is used at each BS, which results in much higher network sum-rates than those of the zero-forcing (ZF) decoder. We also discuss the implementation issues in the real network. We explain the structure of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system for the OIA scheme, which includes the design of the guard time of the OFDM symbol and subchannelization based on the multipath delay, which is larger than that of the single-cell operation. Also, we briefly introduce the downlink OIA scheme and compare the protocol with the OIA scheme in the interfering uplink network. The achievability results in the downlink are shown to be the same to those in the uplink network, which reveals the duality between the downlink and uplink.
간섭 정렬 기법은 수신단에서의 간섭을 제한된 차원을 갖는 특정 공간에 정렬 시킴으로서 수신단에서 원하는 신호를 보호하고 간섭 채널 환경에서 사용자의 수에 비례하는 자유도를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 간섭 정렬의 기본 아이디어는 최근 다중 안테나 시스템 및 셀룰라 네트워크에서 다양하게 응용되고 있으며 이중 최근 제안된 기회적 간섭 정렬 (opportunistic interference alignment: OIA) 기술은 셀룰라 네트워크에서의 다중 사용자 이득을 기반으로 동작하며 수신전력 대비 잡음비의 특정 지수에 의해 사용자의 수가 증가할 경우 최적의 무선 신호 송신 자유도를 얻을 수 있음이 알려져 있다. 상향링크 네트워크에서의 기회적 간섭 정렬 기법은 각 기지국이 타 셀 기지국의 특정 수신 공간에 가장 작은 간섭을 발생시키는 사용자에게 패킷 전송 기회를 줌으로서 기지국 수신단에서의 간섭 정렬을 수행하며 이 때 각 기지국의 스케쥴링은 타 셀의 스케쥴링과 독립적으로 이루어지기 때문에 적은 피드백 오버헤드만으로 간섭 정렬을 구현할 수 있다는 장점을 가진다.
본 학위 논문에서는 스캐터링이 적은 상향링크 채널에서의 기회적 간섭 정렬의 성능을 분석한다. 본 논문에서는 $K$ 개의 셀이 있는 환경에서 얼마나 많은 사용자가 존재하여야 타겟 자유도를 얻을 수 있는지 분석하고 또한 각 셀 내의 사용자의 수에 따른 간섭량의 변화 추이에 대하여 분석한다. 본 논문에서는 각 셀 내의 사용자의 수가 $\mbox{SNR}^{(K-1)\min(L,S)}$ 보다 빠르게 증가할 때 무선 송신과정에서 $KS$ 자유도를 얻을 수 있음을 제시하였으며 이 때 $L$은 채널 환경에서의 유효 스캐터링의 수를 의미하며 $S$는 각 셀에서 동시에 패킷을 전송하는 사용자의 수를 의미한다. 또한 본 논문에서는 기지국 및 사용자가 다중 안테나를 가지고 있는 경우 사용할 수 있는 빔포밍 및 송신 전력 제어 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안된 알고리즘은 송신단에서의 전력을 제한함으로서 사용자의 필요 이상 전력 수요를 방지하고 각 기지국에서 발생할 수 있는 간섭량을 줄임으로서 에너지 효율 및 네트워크 전송 용량을 크게 향상시킬 수 있다. 그리고 본 논문에서는 다수 사용자가 존재하는 셀룰라 네트워크에서 경쟁 기반 피드백 프로토콜을 제안하였고 제안된 알고리즘의 경우 기존의 시분할 피드백 기법에 비해 피드백에 소요되는 시간을 상당히 줄일 수 있음을 보였다.
또한 본 학위 논문에서는 기회적 간섭 정렬의 실질적인 활용 측면에 대해 논의한다. 우선 본 논문에서는 기회적 간섭 정렬이 어떤 환경에서 기존의 셀별 시분할 전송 기법에 비해 높은 전송 용량을 얻을 수 있는지 제시하였으며 또한 수신단에서 최소 에러 기반 디코딩을 통해 전송 용량을 향상시킬 수 있음을 제시하였다. 그리고 본 논문에서는 실질적인 기회적 간섭 정렬 기법의 적용을 위해 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 시스템에서의 이슈들에 대해 분석하였으며 상향링크 뿐 아니라 하향링크 환경에서는 기회적 간섭 정렬 기법이 어떻게 적용될 수 있는지 구체적인 프로토콜을 제시하였다.
