In this dissertation, we propose the protocols that improve the performance of various interference networks in terms of diversity-multiplexing tradeoff (DMT).
We first present a spectrally efficient protocol for half-duplex multi-relay systems in block fading channels where a direct source-destination link is unavailable. The proposed protocol
adaptively selects either successive interference cancelation (SIC) or joint decoding according to the causal decoding status of each relay. We also adopt dynamic refreshing that restarts the protocol
whenever it is advantageous to do so, even if the relay decoding set (the set of relays that are able to decode the message) is not empty. The achievable DMT of the proposed protocol with m-antenna nodes is analyzed via a Markov chain whose states are related to the cardinality of a decoding set.
This protocol strictly improves the DMT of the existing DF half-duplex relay-selection protocols without decoding delay, and in the low multiplexing gain region is able to meet the DMT upper
bound. The main contributions of this work are the state-dependent decoding strategies in DF multi-relay systems and also the dynamic refresh for the flushing of residual interferences in the system,
concepts that may find usefulness beyond the gains in the high-SNR regime.
Second, in order to improve diversity gain in interference networks of which links are quasi-static and hence to maximize diversity multiplexing tradeoff (DMT), we propose on-off filtered interference alignment (IA) that controls the time portion of IA usage in order to achieve the highest diversity gain for given multiplexing gain.
The on-off filtered IA considered in this paper is based on the two schemes: (1) conventional IA
and (2) IA with Alamouti coding, both of which require local channel state information at transmitter only.
Each receiver adopts the simultaneous non-unique decoder.
Analyzing and deriving DMT of the proposed schemes in closed form, we reveal that the on-off filtered IA can considerably improve DMT in the $2 \times 2$ X-channel.
Both of the proposed schemes are shown to achieve diversity gain of 4 and DoF per user of 4/3. Consequently, the on-off filtered IA scheme based on conventional IA outperforms IA with Alamouti coding in terms of DMT for $0 \leq r \leq 1$, where r is the multiplexing gain. The on-off filtered IA scheme based on IA with Alamouti coding, to the best of our knowledge, surpasses any other existing schemes for the $2 \times 2$ X-channel with two antennas and approaches the DoF given by
the linear function connecting maximum diversity gain and DoF per user, (0,4) and (4/3,0), respectively, i.e., d(r)=4-3r.
Third, we study a new interference channel called 4-user clustered Z-channel where 4 clusters consisting of two single-antenna nodes each construct a Z interference channel and the connected two clusters form a two-user interference channel. We analyze DMT in this channel by joint decoding. We also propose a new interference alignment scheme requiring only
partial channel phase information and analyze DMT for the proposed
interference alignment scheme. We also propose the time sharing scheme with both joint decoding and
interference alignment. Eventually, we show that the optimized proposed time sharing scheme according to a time portion closely approaches to the DMT upper bound. It is shown that the proposed scheme is DMT optimal in the range between 0 and 0.2 and closed to DMT optimal in the
remained multiplexing gain region, i.e., $0.2 \leq r \leq 0.5$.
Forth, we analyze DMT of K-user interference channels. We propose a time-sharing scheme
using both joint decoding and IA, and derive a closed form of its achievable DMT. We show that the
achievable DMT is not limited by the maximum of DMTs achieved by joint decoding and IA each but is much better than the maximum of the two. As K increases, the achievable DMT converges, but the DMT
improvement by the time-sharing scheme becomes more remarkable. To the best of our knowledge, the time-sharing scheme outperforms any other known schemes in the K-user interference channel in terms of
DMT.
Finally, we propose the two on-off filtered IA schemes with the delayed CSIT in 3-user MIMO interference channel with two antennas based on the retrospective IA with post-processing. We analyze
diversity multiplexing tradeoff (DMT) of the proposed scheme.
We derive DMT of the proposed scheme in closed form. The proposed scheme was shown to achieve diversity gain of 4 and DoF per user of 4/5 (i.e., sum DoF of 12/5 which is the optimal DoF with the delayed CSIT in 3-user MIMO interference channel, 6M/5) if the IA usage portion is optimized.
The on-off filtered retrospective IA scheme outperforms both of referential schemes while achieving maximum diversity gain and multiplexing gain per user, i.e., (0,4) and (4/5,0), respectively.
본 학위 논문에서는 다양한 간섭 네트워크에서의 다이버시티-다중화 이득 트레이드오프 (DMT) 성능을 개선하는 기법들을 제안하였다.
첫 째, 소스와 데스티네이션 간 링크가 부재 시 블록 페이딩 채널에서 다중 반이중 중계기 환경을 위한 스펙트럼 관점 효율적인 기법을 제시하였다. 제안한 기법은 각 중계기의 인과 복호 상태에 따라 연속 간섭 제거 기법 또는 상호 복조 기법 중 하나를 선택적으로 동작시킨다. 또한, 복호 성공한 중계기가 있더라도 상황에 따라 성능에 이득이 된다면 기법을 재시작하는 탄력적 재시작 기법을 적용하였다. m개의 다중 안테나를 각 노드들이 가질 때, 달성 가능한 DMT 성능은 복호에 성공한 중계기 수와 관련된 마르코프 체인을 통해 분석되었다. 이 기법은 기존에 존재하는 딜레이 없이 반이중 복호 후 전송 선택적 중계 기법들에 비해 DMT 성능이 향상되었으며, 낮은 다중화 이득 영역에서는 이론적 한계를 달성한다. 이 연구의 주된 공헌은 다중 복조 후 중계기 환경에서 상태 종속적인 복호 전략 선택이라는 측면과 잔여 간섭을 제거하기 위한 탄력적 재시작 기법이라는 측면이 있으며, 높은 신호 대비 잡음 영역에서 유용성을 보이는 개념이다.
둘 째, 간섭 네트워크에서 다이버시티 이득을 올리고 DMT 성능을 향상 시키기 위해서, 간섭 정렬과 알라무티 간섭 정렬을 기반으로 하는 온오프 필터 간섭 정렬 기법을 제안하였다. 이를 위해 송신단이 지역적 채널정보를 인지해야 하며 동시 비고유 수신기를 사용한다. 본 연구를 통해 두 사용자가 있는 X 간섭 환경에서 DMT 성능을 올릴 수 있음을 구체적 수식 분석을 통해 밝혔다. 두 기법들은 최대 4의 다이버시티 이득과 4/3의 다중화 이득을 얻을 수 있다. 결과적으로, 간섭정렬 기반 온오프 필터 간섭 정렬 기법은 알라무티 근간의 간섭정렬 기법에 비해 DMT 성능이 좋다. 알라무티 간섭정렬 기반 온오프 필터 간섭 정렬 기법은 같은 환경 기존 기법들에 비해 가장 좋은 DMT 성능을 나타낸다.
셋 째, 4명의 사용자가 있는 Z 클러스터 간섭채널이라는 새로운 환경에 대해 분석하였다. 이 환경은 4개의 클러스터가 두 명의 단일 안테나 노드들을 포함하며 각 클러스터 간에는 Z 간섭 채널을 형성한다. 연결 된 클러스터 간에는 2명의 사용자가 있는 간섭채널을 이룬다. 이 환경에서 부분적 페이즈 정보만을 이용한 새로운 간섭정렬 기법을 제안하였다. 또한, 상호 복호 간의 시간 공유 기법을 통해 DMT 성능을 향상시켰다. 시간 공유 비율에 따라 성능을 최적화 시킬 수 있으며 이론적 한계 성능과 가까운 성능을 낼 수 있다.
넷 째, K 명의 사용자가 있는 간섭 채널에 대해서 분석하였다. 상호 복조 간섭 정렬 시간 공유 기법을 통해 구체적인 수학적 DMT 분석을 하였다. 마찬가지로 시간공유 기법을 통해 두 성능의 최대치보다 높은 성능을 달성할 수 있다. 사용자가 증가할 수록 DMT 성능은 수렴하지만 시간 공유 기법에 따른 DMT 성능 향상은 주목할 만 하다. 우리가 아는 한 동일 모델에서 가장 높은 DMT 성능을 달성할 수 있다.
마지막으로, 채널 정보가 지연되었을 때 다중사용자 다중안테나 간섭 채널에서 DMT 성능을 향상시키기 위해 수신단 빔포밍을 사용한 소급적용 간섭정렬 기반 온오프 필터 간섭 정렬 기법을 제안하였다. 제안 기법의 DMT 성능을 구체적인 식으로 얻을 수 있다. 특별히 3명의 사용자가 있는 다중안테나 간섭 채널에서 온오프 간섭 정렬 비중 최적화를 통해 다이버시티 이득 4와 해당 환경 최적 DoF인 12/5를 얻을 수 있다. 제안된 온오프 소급적용 간섭정렬은 동일 환경에서 가장 좋은 DMT 성능을 낼 수 있음을 밝혔다.
