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Capacity scaling law and degrees of freedom of wireless networks = 무선망의 점근적 채널 용량 및 자유도에 관한 연구
서명 / 저자 Capacity scaling law and degrees of freedom of wireless networks = 무선망의 점근적 채널 용량 및 자유도에 관한 연구 / Sang-Woon Jeon.
저자명 Jeon, Sang-Woon ; 전상운
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

Characterizing the capacity of Gaussian networks has been considered as a fundamental problem in network information theory. However the capacity is not fully characterized even for the three-node relay channel. Instead, many researchers have recently studied approximate capacity characterizations such as the capacity scaling law and the degrees of freedom (DoF), which provide insight for understanding fundamentals of Gaussian networks. We generalize the previous results on the capacity scaling laws for stand-alone networks to two distinct, but overlapping, networks that operate at the same time, space, and frequency. Assuming that the secondary cognitive network is denser than the primary network, we show that the secondary network achieves the same capacity scaling law as a stand-alone network while the primary network is subject to only a vanishing fractional rate loss. This result demonstrates the potential of cognitive networks that able to adjust their protocols in the presence of the existing systems. We also consider one-to-many networks having multiple antennas at each node, which capture two key ingredients of next generation cellar networks, multi-antenna and cooperative communication techniques. We show that, even without channel state information at the transmitter (CSIT), the same capacity scaling law assuming CSIT is achievable by receiver cooperation, which provides remarkable improvement on the capacity scaling law compared to the case of no cooperation. From these theoretical limits of cognitive networks and one-to-many networks, we show that cognitive radio and multi-antenna with cooperative relaying can dramatically improve the capacity of current wireless communication systems. In spite of the surging importance of multi-source Gaussian networks, DoF characterization is still limited in some specific networks. The main difficulty arises from the fact that the transmission of other sessions acts as inter-user interference if there exist multiple source??destination pairs in the network. We observe that time-varying nature of wireless channels or fading can play an important role in mitigating inter-user interference. We first characterize the capacity of multi-source linear finite field networks, which leads to the DoF characterization of multi-source Gaussian relay networks for a wide class of networks. We propose a new coding scheme that exploits such channel variations to neutralize inter-user interference completely at each destination. Unlike the conventional opportunistic gain obtained from scheduling between users, these results demonstrate that fading can be used to improve DoF significantly for multi-source Gaussian relay networks.

무선망의 용량 규명은 정보이론의 가장 중요한 연구 주제이며 이 중 가우시안(Gaussian)망 은 정보이론 및 통신이론에서 가장 중요한 무선망 모델이다. 하지만 세개의 노드로 이루어진 Relay channel이나 다중 소스를 갖는 망의 가장 간단한 형태인 Interference channel에서조차 이론적인 용량이 완벽히 규명되지 않았다. 가우시안망의 경우 브로드캐스트, 멀티엑세스 및 페 이딩 특성 등으로 인하여 이론적인 용량을 규명하기가 어려우며 또한 복잡한 과정을 거쳐 이 론적 용량을 규명하더라도 이를 실제 시스템에 적용하기가 쉽지 않다. 따라서 엔지니어적인 의 미를 간과하고 가우시안망의 용량 규명에만 매달리는 것은 바람직하지 않으며, 이보다는 가우 시안망의 본질적인 현상을 파악하는데 도움이 되고 또한 실제 시스템에 활용할 수 있는 성능 지표를 개발, 분석하는 것이 바람직하다. 최근 많은 연구자들이 이러한 방향으로 접근하여 매 우 좋은 결과들을 도출하고 있다. 가우시안망의 본질적인 특성을 이해할 수 있는 대표적인 성능 지표로 점근적 용량(capacity scaling law)과 자유도(degrees of freedom)를 들 수 있다. 본 연구 또한 가우시안망의 점근 적 용량과 자유도에 대해 연구하였으며, 그 동안 규명되지 않았던 다양한 가우시안망에 대해 점근적 용량 혹은 자유도를 새롭게 규명하였다. 가우시안망의 점근적 용량이란 망 내의 노드수가 증가함에 따라 용량이 어떻게 변화하는지 를 규명하는 분야로써, 망의 규모가 증가할수록 가장 중요한 성능지표로 여겨지고 있다. 기존 의 점근적 용량 분석은 다수의 소스-목적 노드 쌍이 존재하는 에드혹망에서 활발히 분석되었 지만, 학계 및 산업계에서 여전히 가장 중요하게 여겨지는 통신 모델은 셀룰라망, 즉 다수의 소스 노드들이 단일 목적 노드에게 메세지를 보내거나 단일 소스 노드가 다수의 목적 노드들 에게 메세지를 보내는 상황이다. 또한 최근 다중 안테나 기술, 릴레이를 활용한 협력 통신 기 술, 인지적 장비 (cognitive radio)를 통한 적응 통신 기법이 활발히 연구되고 있지만 이러한 기법들이 도입되었을 때 셀룰라망을 포함한 일반적인 가우시안망의 점근적 용량이 얼마나 향 상되는지에 대해서는 이론적으로 규명되지 않았다. 본 연구는 단일 소스 노드가 다수의 목적 노드에게 메세지를 전달하는 셀룰라망에 대하여 최적의 점근적 용량을 규명하였다. 본 연구결 과를 통해 소스노드에 다수의 안테나를 설치하여 망의 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 증명하였으며, 또한 이러한 용량 향상은 채널 정보를 소스 노드에서 알 필요없이 수신단 협력 만으로 가능함을 보였다. 더 나아가 본 연구는 단일망 모델을 더욱 확장하여 단일망에 인지적 장비를 도입한 추가적인 망이 연동되었을 때의 최적의 점근적 용량 또한 규명하였다. 추가적인 망이 기존 망의 위치 정보를 바탕으로 적응적으로 통신을 할 경우 각각의 망이 단독으로 존재 할 때의 멀티홉 통신으로 달성 가능한 최적의 점근적 용량을 동시에 달성할 수 있음을 보였다. 가우시안망의 자유도란 노드들의 전송파워가 증가함에 따라 망의 용량이 단일안테나 점대점 (Point-to-point) 통신 용량 대비 몇 배의 이득이 있는지를 규명하는 분야로써, 다중안테나 및 다중소스망의 가장 기본적인 성능지표이다. 최근 간섭정렬 (Interference alignment) 기술 이 새롭게 제안되면서 다중소스 가우시안망의 자유도에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하 지만 대부분의 연구들이 기존의 간섭정렬 기술에서 크게 벗어나지 못했으며, 단적인 예로 2- 사용자 2-홉으로 구성된 간단한 가우시안망의 자유도조차 아직 규명되지 않았다. 본 연구에서 는 무선망의 기본 특성인 페이딩이 간섭상쇄 (Interference neutralization)에 활용될 수 있으 며 이를 바탕으로 기회적 간섭상쇄라는 새로운 전송기법을 제안하였다. 이를 통해 기존에 규명 되지 않았던 선형 유한체(Linear finite field)망의 이론적 용량을 일반적인 멀티홉 망의 이론 적인 용량을 완전히 규명하였다. 동일한 개념을 가우시안망에도 적용하여 앞서 언급한 2-사용 자 2-홉으로 구성된 가우시안망을 포함한 많은 경우에 최적의 자유도를 규명하였다. 또한 AF (Amplify-forward), 즉 수신신호를 스케일링하여 그대로 전송하는 방식에 기반한 낮은 복잡 도의 통신 기법을 통하여 정보이론적인 최적의 용량을 달성할 수 있음을 증명하여 실용적 측 면에서도 그 의미가 크다. 본 연구는 그간 규명하지 못했던 다양한 무선망의 점근적 용량 혹은 자유도를 규명하였으 며, 이론적인 점근적 용량 혹은 자유도의 한계를 달성하는 최적의 무선망 협력 기법을 제안하 였다. 특히 최근 망 용량 증대에 대한 폭발적인 수요와 또한 이를 위한 릴레이 및 다중 안테나 협력 기법들이 활발히 연구되고 있어 본 연구 결과의 의미가 더욱 크다. 본 연구는 정보이론적 인 한계 용량을 규명하였을 뿐만 아니라 이러한 한계를 달성하는 최적 기법까지 제안하여 관 련 연구를 수행중인 학계 및 산업계에 큰 도움을 줄 것으로 기대한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 11049
형태사항 vi, 104 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 전상운
지도교수의 영문표기 : Sae-Young Chung
지도교수의 한글표기 : 정세영
수록잡지명 : "Degrees of freedom region of a class of multisource Gaussian relay networks". IEEE Transaction on Information Theory, vol. 57, no. 9, 3032-3044(2011)
수록잡지명 : "Cognitive networks achieve throughput scaling of a homogeneous network". IEEE Transaction on Information Theory, (2011)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학과,
서지주기 References : p.82-88
주제 capacity scaling law
degrees of freedom
Gaussain relay network
interference neutralization
multi-antenna
점근적 망 용량
자유도
가우시안 릴레이 망
간섭 상쇄
다중안테나
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