[논문 리뷰] Opportunistic Interference Mitigation Achieves Optimal Degrees-of-Freedom in Cellular Networks

Bang Chul Jung, Dohyung Park외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 11.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전역 채널 상태 정보 또는 시간/주파수 확장을 요구하지 않고, 사용자 스케줄링을 활용하여 K셀 세포 무선망에서 교차셀 간섭을 최소화하는 기회적 간섭 완화(OIM) 방식을 제안한다. M명의 사용자당 세포당 기회적 간섭 제거(OIN)를 적용함으로써 KM 도의 자유도(DoFs)를 달성하며, 이는 전역 채널 상태 정보가 없이도 DoF 최적임을 입증한다.

ABSTRACT

We introduce an opportunistic interference mitigation (OIM) for cellular networks, where a user scheduling strategy is utilized in uplink K-cell environments with time-invariant channel coefficients and base stations (BSs) having M receive antennas. In the OIM scheme, each BS opportunistically selects a set of users who generate the minimum interference to the other BSs. We consider two OIM protocols according to the number S of simultaneously transmitting users per cell: an opportunistic interference nulling (OIN) and an opportunistic interference alignment (OIA). Then, their performance is analyzed in terms of degrees-of-freedom (DoFs). It is shown that KM DoFs are achievable under the OIN protocol with M selected users per cell, while the OIA scheme with S selected users (smaller than M ) achieves KS DoFs. Assuming that N denotes the total number of users in a cell, we also analyze the scaling condition between system parameters K , M , N , S, and the received signal-to-noise ratio such that our achievability result holds. It is investigated that there exists a trade-off between the achievable number of DoFs and the parameter N based on the two proposed schemes. Furthermore, by deriving the corresponding upper bound on the DoFs, it is shown that the OIN scheme is DoF-optimal. Finally, numerical evaluation is performed; a two-step scheduling strategy, in which a logarithmic gain can further be obtained, is shown; and our achievability result is extended to multi-carrier systems. Note that the proposed OIM schemes do not require the global channel state information and time/frequency expansion, thereby resulting in easier implementation. Index Terms Base station (BS), channel state information, cellular network, degrees-of-freedom (DoFs), interference, opportunistic interference alignment (OIA), opportunistic interference mitigation (OIM), opportunistic interference nulling (OIN), user scheduling. *: Corresponding author. B. C. Jung was with KAIST Institute for Information Technology Convergence, Daejeon 305-701, Republic of Korea. He is now with the Department of Information and Communication Engineering, Gyeongsang National University, Tongyeong 650-160, Republic of Korea (E-mail: [e-mail]). D. Park is with SAIT, Samsung Electronics Co., Ltd., Yongin 446-712, Republic of Korea (E-mail: [e-mail]). W.-Y. Shin is with the School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, MA 02138 USA (Email:[e-mail]). SUBMITTED TO IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY 2

연구 동기 및 목표

• 시간 불변 채널과 다중 안테나 기지국을 갖는 K셀 세포 무선망에서 상행 링크 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 전역 채널 상태 정보 또는 시간/주파수 확장을 필요로 하지 않는 실용적인 간섭 완화 전략을 설계하기 위해.
• 다양한 사용자 스케줄링 프로토콜과 시스템 파라미터 하에서 달성 가능한 자유도(DoFs)를 규명하기 위해.
• DoF 상한선을 유도하고 이를 타당한 전송률과 비교하여 제안된 방식의 최적성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 각 기지국이 다른 세포에 최소한의 간섭을 유발하는 사용자를 선택하는 기회적 간섭 완화(OIM) 프레임워크를 제안한다.
• 두 가지 프로토콜을 도입한다: 세포당 M명의 사용자가 있는 기회적 간섭 제거(OIN)와 세포당 S < M명의 사용자가 있는 기회적 간섭 정렬(OIA).
• OIN 및 OIA 하에서 DoF 성능을 분석하고, K, M, N, S 및 신호 대 간섭 비율(SNR) 간의 타당성에 필요한 스케일링 조건을 유도한다.
• DoF 상한선을 유도하여 OIN이 이론적 최대치에 도달함을 입증함으로써 DoF 최적성을 확립한다.
• 실제 구현에서 로그 보상을 추가로 확보하기 위해 이중 단계 스케줄링 전략을 도입한다.
• OIM 프레임워크를 다중 대역 시스템으로 확장하여 확장성 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전역 CSI가 없이도 사용자 스케줄링 기반 간섭 완화 방식이 K셀 상행 링크 네트워크에서 최적의 자유도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 OIM 프로토콜 하에서 세포당 사용자 수 N과 달성 가능한 DoF 사이의 상호 간 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 OIN 및 OIA 방식은 자유도 성능과 시스템 파라미터 스케일링 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 OIN 방식은 DoF 최적이며, 이는 도출된 DoF 상한선을 통해 증명될 수 있는가?
• RQ5 OIM 프레임워크는 다중 대역 시스템으로 확장 가능하며, DoF 최적성이 유지되는가?

주요 결과

• 세포당 M명의 사용자가 있는 OIN 프로토콜은 KM 도의 자유도를 달성하며, 이는 이론적 DoF 상한선과 정확히 일치하여 DoF 최적성을 입증한다.
• 세포당 S < M명의 사용자가 있는 OIA 프로토콜은 KS 도의 자유도를 달성하며, 사용자 부하와 DoF 이득 사이의 상충 관계를 보여준다.
• OIN 하에서 KM DoF의 타당성은 K, M, N, S 및 수신된 신호 대 간섭 비율(SNR)을 포함한 특정 스케일링 조건 하에서 성립한다.
• 제안된 OIM 방식은 전역 채널 상태 정보 또는 시간/주파수 확장을 필요로 하지 않아 실용적 구현이 용이하다.
• 수치적 평가 결과, 추가적인 로그 보상을 제공하는 이중 단계 스케줄링 전략의 효과성이 확인되었다.
• OIM 프레임워크는 다중 대역 시스템으로 성공적으로 확장되었으며, DoF 최적성이 유지됨을 확인하였다.