In this dissertation, we newly study interference channels under three different heterogeneities -- transmission restriction via the priority in an underlay interference channel (IC), asymmetric energy consumption from energy harvesting and cooperation, and cognitive transmission with delayed channel knowledge feedback.
Because of the asymmetric resources, capability, and priority to the transmission, quite different rate regions to the conventional two-user IC are investigated in each channel and efficient interference management strategies for the maximum achievable rate and corresponding maximum degrees-of-freedom (DoF) are proposed.
In the underlay IC and IC with energy harvesting transmitters, Gaussian interference channel is commonly considered and the modified Han-Kobayashi (HK) scheme, which known as a near-optimal transmission strategy for the conventional two-user Gaussian IC, is studied.
To find the maximum achievable rate, we derive the optimal rate split methods between common and private messages and present a closed-form expression of the corresponding power split.
It was reported in literature that an asymmetric rate split between two users can maximize the sum rate in the two-user symmetric IC if no time sharing is assumed.
However, we proved that the result in literature is incorrect and showed that the symmetric power split always attains the maximum sum rate.
Consequently, with given optimal split powers, we find the maximum achievable rate region or corresponding DoF region in our asymmetric interference channel models.
As for the first heterogeneity to the channel, our underlay two-user IC assumes that two transmitter-receiver pairs are underlaid with one primary transmitter-receiver pair.
When underlay transmitters must restrict their transmission to guarantee target DoF of a primary receiver, the achievable DoF of the underlay receivers are investigated.
Either transmit power or transmit time is regulated to secure the target DoF of a primary receiver and their effects on the achievable DoF is analyzed for the simplified HK scheme.
Our analytical results show that the achievable DoF of the underlay two-user IC is substantially different from that of a conventional two-user IC due to the imposed restriction on the underlay users.
It is also shown that joint decoding capability at the primary receiver using common codebook relaxes the restriction imposed on the underlay users and hence improves the achievable DoF of the underlay receivers.
Secondly, we study the two-user Gaussian IC with energy harvesting and sharing.
In this channel, the transmitters have different energies from random energy harvesting and energy sharing to each other.
We characterize the achievable average rate region of the IC with time-varying available power when the simplified HK scheme is employed.
We prove that each corner point on the average rate region is on a sum rate bound with appropriate power allocation.
Based on the proof, we find the optimal strategy of energy cooperation and power allocation between the two transmitters to achieve the boundary points on the average rate region.
It is shown that the energy cooperation can enlarge the average rate region compared to that of the conventional interference channel.
We also show that the energy cooperation yields almost the same average rate region regardless of the interference channel condition because it enables to effectively change the given interference channel condition into a more favorable one by flexibly controlling the transmit powers.
At third, we analyze the multiple-input multiple-output (MIMO) cognitive interference channel(CIC) where one of transmitters act as a cognitive transmitter under delayed channel knowledge feedback.
Specially, the receivers have current channel state information (CSI), but only delayed CSI is available at the transmitters.
Because of independency of Rayleigh fading channel matrices across time, delayed CSI at the transmitters (CSIT) is outdated.
With arbitrary number of transmit and receive antennas, the set of outer bounds to the DoF region are fully characterized and the contribution of the delayed channel feedback to the DoF region is studied based on that of the two-user MIMO CIC with and without perfect CSIT assumption.
It is shown that the outer bound to the DoF region is achievable with the delayed CSIT while it is still an open problem without channel feedback if $M_{t,b}
이 논문에서는 사용자 간 세 가지의 서로 다른 비대칭적인 전송 특성을 갖는 두 사용자 이종 네트워크 환경에서 간섭 채널 (interference channel)에 대해 분석하고, 데이터 전송 비 및 이에 따른 자유도 영역을 정의하고, 최대의 영역 달성을 위한 전송 방안들에 대해 살펴보았다.
최근 네트워크의 규모가 커지고 복잡도가 증가함에 따라 한정적인 자원을 공유해서 사용하기 때문에 간섭의 발생을 피하기는 점점 어려워 지고, 다양한 수요를 갖는 사용자들이 늘어남에 따라 사용자 간 서로 다른 채널 특성 및 전송 요건을 갖는 경우가 일반적이 되어 가고 있어, 이러한 비대칭적 조건 하의 간섭 채널 분석은 그 중요성이 크다 할 수 있다.
본 논문에서는 특히 단일 안테나 통신 환경에서 간섭 채널의 영향을 분석하기 위하여, 기존 가우시안 (Gaussian) 간섭 채널 환경에서 가장 큰 데이터 전송 비를 얻는 방식으로 알려진 한-고바야시 (Han-Kobayashi) 전송 방안을 다루었고, 기존 연구들을 통해 비 대칭적인 전력 분할이 최적이라고 알려져 있던 내용이 틀렸음을 증명하고, 새롭게 최적의 전력 분할 방안을 제시하였다.
이를 바탕으로 본 논문에서 고려한 세 가지 간섭 채널들과 그 세부 연구 내용들은 다음과 같다.
첫 번째로, 부 사용자가 주 사용자의 성능, 특히 자유도 측면에서의 서비스 품질을 지속적으로 유지시키면서 서로 동일한 자원을 갖고 통신하는 언더레이 간섭채널(underlay interference channel)에 대해 살펴보았다.
부 사용자의 달성 가능한 자유도는 전력의 제한과 송신 시간의 제한, 이 두 전송 제한에 대해서 연구되었으며, 다양한 간섭 세기에 따라 일반화 자유도 (degrees-of-freedom) 측면에서 다루어졌다.
부 사용자들의 전력 분할 방안 및 암호화 정보를 주 사용자가 활용 가능한 경우에는, 부 사용자 간, 부 사용자와 주 사용자 간 간섭 세기에 따라 간섭이 강해질수록 전력 제한이 더 높은 자유도를 보였다.
두 번째로, 사용자들이 서로 다른 임의의 시간에 임의의 양의 에너지를 충전하는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 모델에서 간섭 채널을 분석하였다.
본 모델에서 에너지 하비스팅 동작을 통해 배터리에 저장된 에너지는 필요에 따라 다른 사용자들에게 공유되어 더 높은 데이터 전송 비를 얻기위해 사용된다.
본 연구에서는 이러한 에너지 협력 및 하비스팅에 따라 사용자들이 얻을 수 있는 최대 데이터 전송 영역을 도출하고, 이를 달성하기 위한 전력 분할 및 전송 방안을 제안하였다.
세부적으로는, 최대 데이터 전송 영역을 계산하기 위해, 영역의 최외각 지점은 한정된 자원을 통해 사용자들의 데이터 전송 비의 합을 최대화 시키는 문제를 통해 달성 가능함을 보였고, 간섭 채널에서 데이터 전송 비 영역의 볼록면체 (convexity) 특성을 바탕으로 영역 상의 각 최외각 지점을 달성하기 위한 문제를 구성하였다.
각 최죄각 지점을 달성하기 위해 제안된 전송 방안은 공통적으로 두 단계로 구성되며, 부분적인 시점에서 사용자 간 동일한 양의 전력 사용을 가능하게 하는 방향성 워터필링 (directional water-filling)의 형태를 갖는다.
이러한 동작을 통해, 각 사용자는 에너지 오용에 따른 손실을 최소화 하고 간섭의 영향에서 효과적으로 벗어날 수 있다.
마지막으로, 다중 입출력 (MIMO) 통신 환경에서 지연된 채널 피드백 정보를 기반으로 간섭 제어를 하는 인지 무선 간섭 채널 (cognitive interference channel)에 대해 살펴보았다.
각 송신부가 개별의 수신부에 송신을 하는 일반적인 간섭 채널과는 달리, 인지 무선 간섭채널에서 한 송신부, 즉 인지 무선 송신부는 모든 수신부에 송신을 하는 특수성을 갖는다.
본 연구에서는, 모든 다중 입출력 경우에 맞추어 달성 가능한 자유도 영역의 이론적인 경계를 도출하였고, 각 경우에서 최대의 자유도 영역을 달성하는 간섭 제어 방안을 제안하였다.
제안된 방안은 경우에 따라 두 가지 동작 구성과 세 가지 동작 구성으로 이루어지며, 각 경우에서 인지 무선 송신부는 간섭 신호와 간섭이 아닌 신호를 구분하여 간섭 신호들이 수신 신호들에서 서로 동일하도록 전송을 구성한다.
