(The) feasibility of interference alignment for reverse duplex systems in MIMO networks

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The feasibility conditions of interference alignment (IA) are analyzed for reverse duplex systems, i.e., one cell operates as downlink (DL) but the other cell operates as
uplink (UL). Under general multiple-input and multiple-output (MIMO) antenna configurations, a necessary condition and a sufficient condition for linear IA are established,i.e., linear IA without symbol or time extension. In several example networks, optimal sum degrees of freedom (DoF) is characterized by the derived necessary condition and sufficient condition. This IA feasibility on the MIMO DL-UL networks is applied to full
duplex (FD) MIMO networks and extended to multi cellular environments. For some special class of networks, a sufficient condition is established in a more compact expression, which also yields the necessary and sufficient condition. An iterative construction
of transmit and received beamforming vectors is further proposed, which provides a specific beamforming design satisfying linear IA. Simulation results demonstrate that
the proposed IA not only achieve lager DoF but also significantly improve the sum rate in the practical signal-to-noise ratio (SNR) regime.

국문 초록 (Abstract)

최근 셀룰러 시스템에서 요구 되는 데이터 트래픽과 다양한 종류의 데이터 통신 수요가 증가함에 따라, 다중 입출력 안테나의 이용, 소형 셀의 고 밀집화, 이기종 통신, 새로운 상향 링크와 하향 링크를 동시에 서비스 하는 역 듀플렉스 (Reverse Duplex) 등의 새로운 통신 기술도입을 촉진시켰다. 하지만 이런 기술의 도입으로 인해서 생기는 새로운 간섭문제를 해결 하는 것이 전송 효율을 좌우 하는 핵심 요소로 부각 되었다. 최근 이런 간섭 문제를 해결 하는 방법으로 다수의 송,수신 노드가 존재 하는 네트워크 상황에서 최대 자유도 (Degrees of Freedom)를 제공해 주는 간섭정렬 (Interference Alignment: IA) 기술이 활발하게 연구 되고 있다. 하지만 많은 간섭 정렬에서 채널 확장을 요구하는데, 채널 확장 길이가 길어질 수 록 전송 지연 또한 커지게 되므로 통신 효율
을 저하하는 요인이 된다. 따라서 채널 확장을 하지 않고, 다중 안테나를 이용한 선형 간섭 정렬연구가 다양하게 제안 되어 왔다. 그러나 선형 간섭 정렬은 모든 상황에서 가능하지 않고, 각 송수신 안테나 개수 및 노드 수에 따라 간섭 정렬의 타당성 (Feasibility)이 결정 된다.
본 논문에서는 다중 입출력 안테나 네트워크상에서 하향 링크와 상향 링크가 동시 전송을 하는 역 듀플렉스 시스템의 단사 간섭 정렬의 타당성에 대해서 연구를 하였다. 3 장에서는 다중 입출력 안테나 역 듀플렉스 시스템의 가장 근본적인 하향-상향 링크 네트워크 모델을 도입하고, 단사 간섭 정렬 타당성에 대해 문제를 정립하였다. 그리고 일반적인 네트워크 환경에서 간섭 정렬의 필요조건과 충분조건을 제시하고, 이를 증명하였다. 특히, 대칭적 자유도를 고려하는 시스템에서 간섭 정렬의 필요충분조건을 제시하였다. 그리고 간섭 정렬이 타당한 시스템의 자유도를 얻기위하여 송신기의 선형 전처리 행렬과 수신기의 선형 후처리 행렬을 구하는 반복적 알고리즘 역시같이 제시하였다.
이어서, 4 장에서는 3 장의 결과를 이용하여, 전 이중 통신 (Full duplex)을 사용하는 시스템에서의 단사 간섭 정렬의 타당성을 연구하였다. 전 이중 통신에서 역시 하향 링크와 상향 링크 전송이 동시에 이루어지기 때문에 상향 링크의 전송 단말이 하향 링크의 수신 단말에 간섭을 주는일이 발생하고, 이는 역 듀플렉스 상황의 하나라고 간주 될 수 있다. 따라서 전 이중 통신시스템에서 단사 간섭 정렬의 필요조건과 충분조건을 제시하였고, 특이 범주의 전 이중 통신 시스템에서는 간섭 정렬의 필요충분조건 및 타당한 자유도 달성을 위한 송수신기 선형 전처리, 후처리 행렬을 닫힌 형태로 제시하였다. 특히, 전이중 통신 시스템 모델은 3 장에서 고려한 하향-상향 링크
시스템에서 하향 기지국에서 상향 기지국으로의 단 방향 데이터 공유를 통해 기지국 간 간섭을제거하는 시스템으로 응용하는 방법을 제시하였으며, 이 경우에는 기존 두 기지국간 양방 데이터공유를 통한 합동 전송으로 얻을 수 있는 자유도를 달성 할 수 있다.
마지막으로, 5 장에서는 3 장에서 제시한 하향-상향 링크 시스템 모델을 확장한 하향-상향 다중 셀 링크 시스템 모델에서의 간섭 정렬 타당성을 고려하였다. 본 시스템 모델에서 일반적인 셀수와 사용자 송수신 노드 수 및 각 노드와 기지국 안테나 수에 따른 단사 간섭 정렬의 필요조건과 충분조건을 제시하였다. 또한, 셀의 수가 무한에 가까워 짐에 따라서 자유도의 상향 경계를 제공 하여 시스템의 자유도 한계를 명시 하였다.
본 논문은 다중 입출력 안테나를 사용하며 하향, 상향 링크를 동시 전송하는 역 듀플렉스 셀룰러 환경에서의 선형 간섭정렬에 대한 타당성을 최초로 연구하였으며, 선형 간섭정렬의 필요조건을 제시하였다. 또한, 특이 범주의 네트워크에 대해서는 필요충분조건 및 닫힌 형태의 송수신 전후 처리 선형 행렬을 제시하였다. 이와 같은 연구는 향후 더 일반적인 형태의 역 듀플렉스 시스템, 예를 들어, 중계기가 포함된 네트워크나 다중 셀에서의 특이 범주의 네트워크 환경 등에서 간섭 정렬 타당성 타진으로 이어질 것이다.