[논문 리뷰] The Degrees of Freedom of the $K$-pair-user Full-Duplex Two-way Interference Channel with and without a MIMO Relay

Zhiyu Cheng, Natasha Devroye|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 27.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 K-쌍 사용자 풀드업렉스 양방향 간섭채널(TWIC)에서 자유도(DoF)를 분석하여, 풀드업렉스 운영이 DoF를 K로 두 배로 증가시키지만, 사용자 간 상호작용은 이를 추가로 증가시키지 못함을 보여준다. 비인과적 MIMO 릴레이가 2K개 안테나를 갖는 경우, 한 번의 전송 스킴을 통해 간섭을 완전히 제거함으로써 DoF를 다시 두 배인 2K로 증가시킬 수 있으나, 인과적 릴레이는 DoF를 K를 초과해 증가시킬 수 없다.

ABSTRACT

In a $K$-pair-user two-way interference channel (TWIC), $2K$ messages and $2K$ transmitters/receivers form a $K$-user IC in the forward direction ($K$ messages) and another $K$-user IC in the backward direction which operate in full-duplex mode. All nodes may interact, or adapt inputs to past received signals. We derive a new outer bound to demonstrate that the optimal degrees of freedom (DoF, also known as the multiplexing gain) is $K$: full-duplex operation doubles the DoF, but interaction does not further increase the DoF. We next characterize the DoF of the $K$-pair-user TWIC with a MIMO, full-duplex relay. If the relay is non-causal/instantaneous (at time $k$ forwards a function of its received signals up to time $k$) and has $2K$ antennas, we demonstrate a one-shot scheme where the relay mitigates all interference to achieve the interference-free $2K$ DoF. In contrast, if the relay is causal (at time $k$ forwards a function of its received signals up to time $k-1$), we show that a full-duplex MIMO relay cannot increase the DoF of the $K$-pair-user TWIC beyond $K$, as if no relay or interaction is present. We comment on reducing the number of antennas at the instantaneous relay.

연구 동기 및 목표

• 풀드업렉스 운영과 사용자 상호작용을 고려한 K-쌍 사용자 양방향 간섭채널(TWIC)에서 자유도(DoF)를 특성화하는 것.
• 풀드업렉스 운영만으로 달성 가능한 DoF를 초과하여 사용자 간 상호작용 또는 MIMO 릴레이의 존재가 DoF를 추가로 증가시킬 수 있는지 조사하는 것.
• 비인과적 및 인과적 전달 제약 조건 하에서 풀드업렉스 MIMO 릴레이로부터 얻는 DoF 이득을 규명하는 것.
• 최대 DoF 2K를 달성하기 위해 비인과적 릴레이에 필요한 최소 안테나 수를 탐색하는 것.
• 실제 풀드업렉스 운영 조건 하에서 이중방향 다중 사용자 간섭망의 DoF에 대한 기본 한계를 설정하는 것.

제안 방법

• 사용자 간 상호작용이 DoF를 K를 초과해 증가시키지 못함을 보이기 위해 K-쌍 사용자 TWIC에 대한 새로운 외부 경계를 유도함.
• 2K개 안테나를 갖는 비인과적 MIMO 릴레이를 사용한 한 번의 전송 스킴을 제안하여 간섭을 완전히 제거함으로써 2K DoF를 달성함.
• DoF 분석을 단순화하고 역방향 경계를 유도하기 위해 사용자 2K-1을 가상의 릴레이로 변환한 네트워크 모델을 사용함.
• 엔트로피 및 상호정보량 경계를 포함한 정보이론적 부등식을 적용하여 신호 의존성과 간섭 제거를 분석함.
• 비인과적(즉각적) 및 인과적(지연된) 릴레이 전달 모델을 구분하여 DoF 성능을 비교함.
• 채널의 대칭적 변환을 적용하여 핵심 간섭 항을 분리하고, 이를 통해 합률 경계를 도출함으로써 DoF 결론에 도달함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 상호작용이 있는 K-쌍 사용자 풀드업렉스 양방향 간섭채널에서 달성 가능한 최대 자유도(DoF)는 얼마인가요?
• RQ2 풀드업렉스 TWIC에서 사용자 간 상호작용이 풀드업렉스 운영의 두 배 효과를 초과하여 DoF를 증가시킬 수 있나요?
• RQ3 K-쌍 사용자 풀드업렉스 TWIC에 풀드업렉스 MIMO 릴레이를 도입할 경우 DoF 이득은 얼마이며, 릴레이의 인과성은 이 이득에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 2K개 이하의 안테나를 갖는 비인과적 MIMO 릴레이는 여전히 전체 2K DoF를 달성할 수 있나요, 아니면 2K가 최소 필요한 수인가요?
• RQ5 K-쌍 사용자 풀드업렉스 TWIC에서 인과적 MIMO 릴레이의 존재가 DoF를 K를 초과하여 증가시킬 수 있나요?

주요 결과

• 릴레이 없이도 K-쌍 사용자 풀드업렉스 TWIC의 DoF는 K이며, 이는 풀드업렉스 운영이 반드시 반드시 반복된 반디렉션의 두 배로 DoF를 증가시키지만, 사용자 간 상호작용은 이를 추가로 증가시키지 못함을 의미함.
• 2K개 안테나를 갖는 비인과적 MIMO 릴레이의 경우, 간섭을 완전히 제거하는 한 번의 스킴을 통해 DoF를 2K로 증가시킬 수 있음.
• 인과적 MIMO 릴레이는 풀드업렉스 운영이 이루어져도 DoF를 K를 초과해 증가시킬 수 없으며, 이는 릴레이가 없는 시스템과 동일한 DoF 성능을 제공함을 의미함.
• 인과적 릴레이의 경우에 대한 역방향 증명은, 모든 2K-1개의 다른 사용자로부터 오는 간섭(포함하여 교차 방향 신호)이 DoF를 K로 제한함을 보여줌.
• 네트워크 비대칭성에 대해 강건한 DoF 결과를 보이며, 일반성을 잃지 않고 임의의 비율 쌍에 대해 합산함으로써 이를 입증함.
• 비인과적 릴레이의 안테나 수를 감소시키면 달성 가능한 DoF가 감소하거나 추가적인 인지 기능이 필요해지며, 이러한 경우의 DoF 한계는 아직 미해결 상태임.