[논문 리뷰] Genie Chain and Degrees of Freedom of Symmetric MIMO Interference Broadcast Channels.

Tingting Liu, Chenyang Yang|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 26.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 31인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 정보처리 이론적 도메인 자유도(Degree of Freedom, DoF)를 도출하기 위해 새로운 지니 체인을 도입하여 대칭 MIMO 간섭방송채널(MIMO-IBC)의 엄밀한 DoF 상한을 유도함으로써 대칭 MIMO-IBC의 정보처리 이론적 DoF를 확립한다. 기지국(BS) 대 사용자 안테나 비율에 기반해 두 영역을 식별한다: 영역 I에서는 합계 DoF가 세포 수에 따라 선형적으로 증가하지만 무한한 시간/주파수 확장을 필요로 한다. 영역 II에서는 DoF는 총 안테나 수에 의해 제한되는 조각별 선형 함수이며, 무한한 확장 없이 선형 간섭정렬(Lin-ear Interference Alignment, IA)을 통해 달성 가능하다.

ABSTRACT

Abstract—In this paper, we study the information theoretic degrees of freedom (DoF) for symmetric multi-input-multi-output interference broadcast channel (MIMO-IBC) with arbitrary con-figuration. We find the maximal DoF achieved by linear inter-ference alignment (IA), and prove when linear IA can achieve the information theoretic maximal DoF. Specifically, we find that the information theoretic DoF can be divided into two regions according to the ratio of the number of antennas at each base station (BS) to that at each user. In Region I, the sum DoF of the system linearly increases with the number of cells, which can be achieved by asymptotic IA but not by linear IA, where infinite time/frequency extension is necessary. In Region II, the DoF is a piecewise linear function, depending on the number of antennas at each BS or that at each user alternately, which can be achieved by linear IA without the need of infinite time/frequency extension, and the sum DoF cannot exceed the sum number of antennas at each BS and each user. We propose and prove the information theoretic DoF upper-bound for general MIMO-IBC including the system settings in Regions I and II, by constructing a useful and smart genie chain. We prove the achievability of the upper-bound in Region II by proposing a unified way to design closed-form linear IA. From the proof we reveal when proper systems are feasible or infeasible and explain why. The approach of the proof can be extended to more general asymmetric MIMO-IBC. Index Terms—Interference alignment (IA), interference broad-cast channel (IBC), degrees of freedom (DoF), genie chain, irre-solvable and resolvable ICIs I.

연구 동기 및 목표

• 임의의 안테나 구성 조건을 가진 대칭 MIMO-IBC에 대한 정보처리 이론적 자유도(DoF)를 결정하는 것.
• 선형 간섭정렬(Lin-ear Interference Alignment, IA)이 정보처리 이론적 DoF 최댓값에 도달할 수 있는 조건을 규명하는 것.
• 새로운 지니 체인 구성 방식을 사용하여 일반 MIMO-IBC에 대한 엄밀한 DoF 상한을 확립하는 것.
• 안테나 비율에 기반해 최적 DoF를 달성할 수 있는지 여부를 판단할 수 있는 시스템의 타당성 여부를 밝히는 것.
• 실용적인 DoF 최적화를 가능하게 하는 영역 II에서의 통합 폐형 설계를 제공하는 것.

제안 방법

• 일반 MIMO-IBC에 대한 엄밀한 정보처리 이론적 DoF 상한을 도출하기 위해 지능적인 지니 체인을 구성하는 것.
• 기지국(BS) 안테나 수와 사용자 안테나 수의 비율에 기반해 DoF 영역을 두 부분으로 분할하는 것.
• 영역 I에서 DoF가 세포 수에 따라 선형적으로 증가하지만, 점근적 간섭정렬(Asymptotic IA)을 위해 무한한 시간/주파수 확장이 필요함을 증명하는 것.
• 영역 II에서 DoF는 각 기지국 및 사용자에 있는 안테나 수에 따라 번갈아가며 영향을 받는 조각별 선형 함수이며, 각 노드의 총 안테나 수에 의해 제한되며, 무한한 확장 없이 선형 IA를 통해 달성 가능함을 보여주는 것.
• 영역 II에서 상한을 달성하는 통합 폐형 선형 IA 설계를 제안하는 것.
• 지니 체인 프레임워크를 통해 간섭정렬 가능 여부와 불가능한 간섭 조건을 식별함으로써 시스템 타당성을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 안테나 구성 조건을 가진 대칭 MIMO-IBC에 대한 정보처리 이론적 DoF 상한은 무엇인가?
• RQ2 무한한 시간/주파수 확장 없이 선형 간섭정렬(Lin-ear Interference Alignment, IA)이 정보처리 이론적 DoF 최댓값에 도달할 수 있는 영역는 어디인가?
• RQ3 기지국 안테나 수 대 사용자 안테나 수의 비율이 DoF 영역의 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 조건에서 시스템 구성이 최적 DoF를 달성하기 위해 타당한가, 그리고 간섭이 복구 불가능한 경우는 언제인가?
• RQ5 영역 II에서 DoF 상한을 달성할 수 있는 통합 폐형 선형 IA 설계를 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 대칭 MIMO-IBC의 정보처리 이론적 DoF는 기지국 대 사용자 안테나 비율에 따라 두 개의 상이한 영역으로 나뉜다.
• 영역 I에서는 합계 DoF가 세포 수에 따라 선형적으로 증가하지만, 점근적 간섭정렬을 통해만 달성 가능하며 이는 무한한 시간/주파수 확장을 필요로 한다.
• 영역 II에서는 DoF가 각 기지국 또는 각 사용자에 있는 안테나 수에 번갈아가며 영향을 받는 조각별 선형 함수이며, 각 노드의 총 안테나 수에 의해 제한된다.
• 선형 IA는 영역 II에서 무한한 시간/주파수 확장 없이 DoF 상한을 달성할 수 있어 실용적으로 타당하다.
• 제안된 지니 체인 구성 방식은 대칭 및 비대칭 MIMO-IBC 설정 모두에 적용 가능한 엄밀한 DoF 상한을 제공한다.
• 분석 결과, 최적 DoF를 달성하기 위한 시스템 타당성은 간섭이 선형 IA를 통해 복구 가능한지 여부에 따라 달라지며, 복구 불가능한 간섭은 타당하지 않음을 시사한다.