[논문 리뷰] Interference-Free OFDM: Rethinking OFDM for Interference Networks with Inter-Symbol Interference

Namyoon Lee|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 08.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 간섭 채널에서 심호흡 간섭(ISI)가 존재하는 상황에서도 송신기에서 채널 상태 정보(CSIT)가 없더라도 K 사용자에서 선형 합산 스펙트럼 효율 스케일링을 달성하는 새로운 다중대역 방식인 간섭 없는 OFDM(IF-OFDM)을 제안한다. 목적 링크와 간섭 링크의 인과응답 길이 차이를 활용하여, CSIT가 없더라도 간섭 정렬을 가능하게 하는 순환 및 비순환 행렬 구조를 사용함으로써, 합산 도어리티(DoF)를 K/2로 달성한다.

ABSTRACT

This paper considers a $K$-user single-input-single-output interference channel with inter-symbol interference (ISI), in which the channel coefficients are assumed to be linear time-invariant with finite-length impulse response. The primary finding of this paper is that, with no channel state information at a transmitter (CSIT), the sum-spectral efficiency can be made to scale linearly with $K$, provided that the desired links have longer impulse response than do the interfering links. This linear gain is achieved by a novel multi-carrier communication scheme which we call extit{interference-free orthogonal frequency division multiplexing (IF-OFDM)}. Furthermore, when a transmitter is able to learn CSIT from its paired receiver only, a higher sum-spectral efficiency can be achieved by a two-stage transmission method that concatenates IF-OFDM and vector coding based on singular value decomposition with water-filling power allocation. A major implication of the derived results is that separate encoding across subcarriers per link is sufficient to linearly increase the sum-spectral efficiency with $K$ in the interference channel with ISI. Simulation results support this claim.

연구 동기 및 목표

• 송신기에서 채널 상태 정보(CSIT)가 제공되지 않는 상황에서 K 사용자 간섭 채널에서 높은 스펙트럼 효율을 달성하는 데 있어 근본적인 과제를 해결하는 것.
• 일般적으로 전역적이고 즉각적인 CSIT가 필요한 간섭 정렬(IA)의 실용적 제약을 극복하기 위해, CSIT 없이도 선형 합산 DoF 스케일링을 가능하게 하는 것.
• 각 링크의 서브대역별 별도 인코딩이 ISI 간섭 채널에서 K에 대해 선형 스펙트럼 효율 스케일링을 달성하는 데 충분한지 보여주는 것.
• 대규모 경로 손실 모델을 기반으로 부분적인 ISI를 노이즈로 간주하는 것이 다중 셀 환경에서의 가능성을 탐색하는 것.
• 제한된 CSIT 조건에서 MIMO 및 협업 셀룰러 네트워크로의 접근 확장 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 선형 컨volution을 원형 컨볼루션으로 변환하기 위해 순환 프리픽스를 사용하는 전송 방식인 간섭 없는 OFDM(IF-OFDM)을 제안하며, 이를 통해 서브대역 단위 신호 분해를 가능하게 한다.
• 목적 링크에는 순환 행렬 구조를, 간섭 링크에는 비순환 행렬 구조를 적용하여 채널 계수의 지식 없이 상대적 정렬을 구현한다.
• 특히 목적 링크의 인과응답 길이가 간섭 링크보다 긴 점을 활용하여, 인과응답 길이의 차이를 통해 간섭 정렬을 달성한다.
• 부분적인 CSIT가 존재할 경우 이중 단계 전송 방식을 적용: 먼저 IF-OFDM을 적용한 후, 추가로 스펙트럼 효율 향상을 위해 수분 분해(SVD)와 워터필링 전력 할당을 적용한다.
• 목적 링크의 인과응답 길이가 간섭 링크보다 짧을 경우, 더 긴 간섭 채널 탭의 꼬리 부분을 효과적 노이즈로 간주하며, 경로 손실 감쇠를 활용해 노이즈 전력을 감소시킨다.
• 이상적 분석을 통해 합산 도어리티(DoF)를 분석하고 외부 경계를 유도하여 제안된 방식의 최적성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CSIT가 없는 K 사용자 SISO 간섭 채널에서 ISI가 존재할 경우, K에 대해 선형 합산 스펙트럼 효율 스케일링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 채널 인과응답 길이의 구조적 차이를 활용하여, 즉각적 또는 전역적 CSIT가 없더라도 간섭 정렬을 달성할 수 있는가?
• RQ3 CSIT가 없는 조건에서 제안된 IF-OFDM 방식을 적용한 K 사용자 SISO 간섭 채널의 합산 DoF는 얼마인가?
• RQ4 경로 손실에 의존하는 채널 이득을 갖는 다중 셀 시스템에서 일부 ISI를 효과적 노이즈로 간주할 경우 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 IF-OFDM 프레임워크는 CSIT가 제한된 MIMO 간섭 채널로 확장되어 사용자 수와 안테나 수에 따라 DoF 스케일링을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• CSIT가 없는 K 사용자 SISO 간섭 채널에서의 합산 DoF는 제안된 IF-OFDM 방식을 통해 K/2로 달성된다.
• IF-OFDM는 목적 링크와 간섭 링크의 인과응답 길이 차이를 활용하여 K에 대해 선형 합산 스펙트럼 효율 스케일링을 달성한다.
• 순환 및 비순환 행렬 형태의 구조적 차이를 통해 채널 계수의 지식 없이도 간섭 정렬을 실현한다.
• 부분적인 CSIT가 존재할 경우, IF-OFDM과 SVD를 조합한 이중 단계 방법이 IF-OFDM 단독 사용보다 더 높은 합산 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 목적 링크가 수신기와 더 가까울 경우, 긴 간섭 탭을 효과적 노이즈로 간주할 때의 노이즈 전력은 무시할 수 있을 정도로 낮으며, 이는 셀 중심 다중 셀 환경에서의 접근 타당성을 검증한다.
• 서브채널 계수들이 상호 독립적이라는 가정 하에 유도된 합산 DoF인 K/2는 외부 경계와 일치하여, CSIT가 없는 조건에서 제안된 방식의 최적성을 입증한다.