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Degrees of Freedom of the MIMO Y Channel: Signal Space Alignment for Network Coding
Namyoon Lee,Jong-Bu Lim,Joohwan Chun IEEE 2010 IEEE transactions on information theory Vol.56 No.7
<P>In this paper, we study a network information flow problem for a multiple-input-multiple-output (MIMO) Gaussian wireless network with three users each equipped with M antennas and a single intermediate relay equipped with N antennas. In this network, each user intends to convey independent messages for two different users via the intermediate relay while receiving two independent messages from the other two users. This is a generalized version of the two-way relay channel for the three-user case. We will call it a 'MIMO Y channel.' For this MIMO Y channel, we show that the capacity is 3M log(SNR) + o(log(SNR)) if N ≥ ⌈3M/2⌉ by using two novel signaling techniques, which are signal space alignment for network coding, and network-coding-aware interference nulling beamforming.</P>
Namyoon Lee,Joohwan Chun IEEE 2014 IEEE transactions on information theory Vol.60 No.3
<P>This paper studies a network information flow problem for a multiple-input multiple-output (MIMO) Gaussian wireless network with K users and a single intermediate relay having M antennas. In this network, each user sends a multicast message to all other users while receiving K-1 independent messages from the other users via an intermediate relay. This network information flow is termed a MIMO Gaussian K-way relay channel. For this channel, it is shown that the optimal sum degrees of freedom (sum-DoF) is KM/K-1, assuming that all nodes have global channel knowledge and operate in full-duplex. A converse argument is derived by cut-set bounds. The achievability is shown by a repetition coding scheme with random beamforming in encoding and a zero-forcing method combined with self-interference cancelation in decoding. Furthermore, under the premise that all nodes have local channel state information at the receiver only and operate in half-duplex mode, it is shown that a total K/2 DoF is achievable when M=K-1. The key to showing this result is a novel encoding and decoding scheme, which creates a set of network code messages with a chain structure during the multiple access phase and performs successive interference cancelation using side-information for the broadcast phase. One major implication of the derived results is that efficient exploitation of the transmit message as side-information leads to an increase in the sum-DoF gain in a multiway relay channel with multicast messages.</P>
Achievable Degree of Freedom on K-User Y Channels with Heterogeneous Messages
Kwangwon Lee,Namyoon Lee,Inkyu Lee IEEE 2013 IEEE COMMUNICATIONS LETTERS Vol.17 No.2
<P>In this letter, we introduce a new system model for a multi-way communication where multiple users exchange information with each other by sharing an intermediate relay with multiple antennas. Particularly, we focus on the system where each user intends to send multiple unicast messages for dedicated users and a single multicast message for a group of users. We refer to this system as a K-user MIMO Y channel with heterogenous messages. For this channel, we propose a new cooperative beamforming method and study an achievable degree of freedom (DOF) using this scheme.</P>
Achievable Degrees of Freedom on K-user Y Channels
Kwangwon Lee,Namyoon Lee,Inkyu Lee IEEE 2012 IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS Vol.11 No.3
<P>In this paper, we consider K-user Y channels where K users simultaneously exchange messages with each other via an intermediate relay. Degrees of freedom (DOF) of Y channels with multiple antennas is not known in general. Investigation of the feasibility conditions of signal space alignment for network coding is an initial step for addressing this open problem. We verify that when user i with M_i antennas sends K-1 independent messages to the other users through a relay with N antennas and each message achieves the DOF of d, the total DOF of dK (K-1) is attained if M<SUB>i</SUB> ≥ d(K-1), N ≥ {dK(K-1)/2} and N<; min {M<SUB>i</SUB>+M<SUB>j</SUB> -d|∀ i ≠ j}. It is accomplished by adopting the signal space alignment for the network coding during both the multiple access phase and the broadcast phase. It is shown that the proposed scheme obtains not only a network coding gain but also an alignment gain in terms of the normalized DOF, as K → ∞. Also for Y channels where all nodes have a single antenna, we show that the DOF of 2 is achieved regardless of the number of users by using the rational dimension framework.</P>
이승훈(Seunghoon Lee),박찬호(Chanho Park),이남윤(Namyoon Lee) 한국통신학회 2021 한국통신학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.2
무선 네트워크를 통한 연합 학습은 모바일 장치가 이기종 통신 링크를 통해 통계적으로 별개의 기울기 정보를 보내는 서버에서 로컬로 계산된 기울기를 집계해야 한다. 본 논문은 평균 제곱 오차 (MSE)를 최소화한다는 의미에서 이기종 정량화된 기울기 정보를 최적으로 집계하기 위한 베이지안 연합 학습 (BFL) 알고리즘을 제안한다. BFL 의 아이디어는 i) 로컬 기울기의 이전 분포, ii) 기울기 양자화 함수 및 iii) 채널 분포를 공동으로 활용하여 서버에서 1 비트 정량화된 로컬 기울기를 집계하는 것이다. BFL 을 구현하려면 모바일 장치의 수가 증가함에 따라 높은 통신 및 계산 비용이 필요하다. 이를 해결하기 위해, 우리는 또한 확장 가능한 BFL (SBFL)이라고 불리는 효율적인 수정 BFL 알고리즘을 제안한다. SBFL 에서는 로컬 기울기에서 단순화된 분포를 가정한다. 각 모바일 장치는 이 분포를 나타내는 두 개의 스칼라 매개 변수와 함께 1 비트 정량화된 로컬 기울기를 보내고, 서버는 잡음과 페이드된 양자화기울기를 집계하여 MSE를 최소화한다. 시뮬레이션에서 SBFL 이 이기종 무선 네트워크를 통해 MNIST 데이터 세트를 사용하여 신경 네트워크를 훈련하고 테스트할 때 기존의 신호 확률적 기울기 강하 알고리즘을 상당히 능가한다는 것을 입증한다.
페이딩 채널에서 블록 직교 희소 중첩 코드의 MMSE-MAP 복호 알고리즘
이보형(Bowhyung Lee),한동화(Donghwa Han),이남윤(Namyoon Lee) 한국통신학회 2021 한국통신학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.11
본 논문은 저전력 짧은 패킷 통신을 위해 최근에 제안된 block orthogonal sparse superposition (BOSS) 코드를 페이딩 채널 환경에서 연구하고 페이딩에 강인한 새로운 복호 알고리즘을 제안한다. 가산성 백색 가우시안 잡음 (additive white Gaussian noise: AWGN) 채널 환경에서 고려된 기존의 BOSS 코드의 복호기는 페이딩 환경에서는 성능이 떨어지는 단점이 있다. 제안하는 저 복잡도 복호기는 최소 평균 제곱 오차 (minimum mean squared error: MMSE) 등화기로 채널의 영향을 보정하고 최대 사후 확률 (maximum a posteriori probability: MAP) 문제를 풀어 코드 워드를 추정한다.