We investigate the role of relays in multi-user wireless networks with bursty user traffic, where intermittent data traffic restricts the users to bursty transmissions. To this end, we study a two-user bursty MIMO Gaussian interference channel (IC) with a relay, where two Bernoulli random states govern the bursty user traffic. We show that an in-band relay can provide a degrees of freedom (DoF) gain in this bursty channel. This beneficial role of in-band relays in the bursty channel is in direct contrast to their role in the non-bursty channel which is not as significant to provide a DoF gain. More importantly, we demonstrate that for certain antenna configurations, an in-band relay can help achieve interference-free performances with increased DoF. We find the benefits particularly substantial with low data traffic, as the DoF gain can grow linearly with the number of antennas at the relay. In this work, we first derive an outer bound from which we obtain a necessary condition for interference-free DoF performances. Then, we develop a novel scheme that exploits information of the bursty traffic states to achieve them.
무선 통신 네트워크 성능 증대의 큰 걸림돌인 간섭을 해소하기 위해 릴레이를 도입하는 노력이 있었다. 실제 릴레이가 간섭 네트워크의 전송률을 높일 수 있음을 보였지만 자유도를 증가시키지는 못함이 밝혀졌고, 릴레이의 역할은 크게 중요하지 않은 것으로 여겨졌다.
하지만 릴레이의 역할이 중요하지 않다고 결론짓는 것은 성급한 판단이다. 릴레이가 자유도를 증가시키지 못함은 간섭이 항상 존재한다는 전통적 가정을 바탕으로 얻은 결과이다. 실제 무선 통신 네트워크에서는 전송이 간헐적으로 일어나 간섭 또한 간헐적으로 발생한다. 보다 현실적인 상황에서 릴레이의 역할을 알아보기 위해서는 간헐적 간섭을 고려한 연구가 필요하다.
본 연구는 현실적인 무선 통신 네트워크에서 릴레이의 역할을 알아보기 위해, 전송이 간헐적으로 일어나 간섭 또한 간헐적으로 발생하는 간섭 채널을 고려한다. 보다 자세하게는, 두 개의 송수신단 짝이 있는 간헐적 가우시안 간섭 채널에 릴레이가 포함된 모델을 살펴본다. 간헐적 전송을 표현하기 위해 두 개의 베르누이 확률 변수를 도입한다.
본 연구의 결과는 릴레이가 큰 이득을 제공함을 밝힌다. 첫째로, 간헐성이 높은 환경에서 릴레이에 안테나를 추가할수록 자유도가 선형 증가함을 보임으로써 확장 가능한 자유도 이득을 제공함을 보인다. 둘째로, 릴레이가 송신단과의 협력을 통하여 간헐적 간섭을 완전히 제거함으로써 두 쌍의 송수신단이 간섭의 영향을 전혀 받지 않고 통신하는 것이 가능함을 보인다.
기존 연구는 간섭이 항상 존재하는 간섭 채널을 고려하여 릴레이가 자유도 이득을 제공하지 않음을 보임으로써 릴레이의 역할이 중요하지 않다고 결론지었다. 하지만 본 연구는 간섭이 간헐적으로 존재하는 현실적인 무선 통신 네트워크에서는 확장 가능한 자유도 이득 제공뿐만 아니라 간섭 없는 채널 형성이 가능함을 보임으로써 릴레이의 역할이 중요하다는 것을 밝힌다.
