In this paper, we introduce an energy-efficient opportunistic interference alignment (OIA) scheme that greatly improves the sum-rates in multi-cell uplink networks. Each user employs optimal transmit vector design and power control in the sense of minimizing the amount of generated interference to other-cell base stations while satisfying a required signal quality. As our main result, it is shown that owing to the reduced interference level, the proposed OIA schemes attains larger sum-rates than those of OIA with no power control for almost all signal-to-noise ratio regions. In addition, when both zero-forcing and minimum mean square error (MMSE) detectors are employed at the receiver along with the OIA scheme, it is shown that the OIA scheme with MMSE detection shows superior performance.
간섭 관리는 다중 사용자 통신 시스템에서 중요한 역할을 한다. 과거에 자유도 (degrees of freedom) 또는 멀티플랙싱 이득이라는 간단한 개념을 사용하여 간섭 채널의 점근적 용량을 분석하는 방대한 양의 연구가 수행되어 왔다. 최근에 시변 채널 계수를 갖는
본 연구에서는 다중 셀 상향링크 네트워크 모델 중 하나인 간섭 다중 접속 채널 (interfering multiple-access channel)을 고려한다. 간섭 다중 접속 채널에서 최적의 자유도를 취득하는 부공간 간섭 정렬로 불리는 [4]에서의 간섭 정렬 기술 이외에, 더욱 최근에 기회적 간섭 정렬 (opportunistic interference alignment) 기술 [5]이 시불변 채널 계수를 가지는 단일 입력 다중 출력 (singleinput multiple-output) 간섭 다중 접속 채널에서 소개되었다. [5]에서의 기술은 사용자의 수가 특정 스케일링 조건을 만족하면 점근적으로 최대 자유도를 취득할 수 있음을 보였다. [5]에서의 연구는 안테나 선택 기반 기회적 간섭 정렬 및 singular value decomposition (SVD) 기반 기회적 간섭 정렬과 같은 두 가지 다른 종류의 전처리 기술을 사용한 다중 입력 다중 출력 (MIMO: multiple-input multiple-output) 간섭 다중 접속 채널 모델로 확장되었다[6]. 그러나 [5,6]에서의 연구는 무선 통신 분야에서 각광받고 있는 에너지 효율성을 고려하지 않았다. 특별히 간섭 다중 접속 채널 환경에서는 모바일 기기의 제한된 수명 때문에, 저 전력 네트워크 프로토콜 및 무선 전송 기술의 설계가 중요한 이슈로 떠 오르고 있다.
본 논문에서는 기존 기회적 간섭 정렬 프레임워크에 기반하여, MIMO 다중 셀 상향링크 네트워크, 즉 MIMO 간섭 다중 접속 채널에서의 새로운 에너지 효율적을 위한 기회적 간섭 정렬 프로토콜을 제안한다. 제안한 기술은 기존 기회적 간섭 정렬 기술 [6]과 비교할 때 심지어 더 적은 송신 전력과 함께 합 용량에서의 큰 폭의 성능 개선을 가능하게 하고, 이는 곧 더 높은 에너지 효율성을 보여준다. 본 논문의 개요는 아래와 같다.
본 논문의 구성은 아래와 같다. Ⅱ장에서는 시스템 모델을 설명한다. Ⅲ장에서는 송신 벡터 설계 및 전력 제어를 포함하는 제안하는 에너지 효율적 기회적 간섭 정렬 기술을 보인다. Ⅳ장에서는 두 가지 검파 기법에 따른 기회적 간섭 정렬 기술 방법의 차이점을 설명한다. Ⅴ장에서는 기회적 간섭 정렬 기술의 수치적인 결과를 제공한다. 마지막으로 Ⅵ장에서는 본 논문을 요약 및 마무리한다. 본 논문에서는, superscript
실제적인 다중 안테나 셀룰라 네트워크를 고려하기 위해 MIMO 간섭 다중 접속 채널 [6,7]을 가정한다. 네트워크에는
기지국
여기에서,
본 장에서는 에너지 효율적 기회적 간섭 정렬 프로토콜을 설명하고 결합 빔형성-전력 제어 알고리즘을 구체화한다.
MIMO 간섭 다중 접속 채널 하에서 기존 기회적 간섭 정렬 기술과 비교하여 취득할 수 있는 합 용량을 개선할뿐 아니라 송신 전력 소비를 줄일 수 있는 에너지 효율적 기회적 간섭 정렬 기술을 설명한다. [5,6]과 유사하게 제안하는 프로토콜의 전체적인 절차는 시분할 듀플렉싱 시스템의 채널 상호성에 기반하여 전개된다. 따라서 각 사용자는 파일롯 신호를 통해 모든 수신 채널 링크의 정확한 추정치를 획득할 수 있다고 가정한다. 각 기지국은 수신 부공간
여기에서, 이고 이는 발생된 간섭의 공분산 행렬 합을 나타낸다. 이때, 수식 (2)에서의 변수
MIMO 간섭 다중 접속 채널 하에서, 최대 송신 전력과 함께 수식 (2)에서의 간섭 누수 값을 최소화하는 측면에서 각 사용자에서 eigen-beamforming을 수행하는 기존 기회적 간섭 정렬 기술 [6]과는 달리, 본 논문에서는 사전에 정의된 요구되는 신호 질을 유지하면서 더욱 간섭을 줄일 수 있는 결합 빔형성-전력 제어 기술을 고려한다 [8]. 이제 각 사용자에서 수행되는 송신 벡터 설계 및 전력 제어로 구성된 기회적 간섭 정렬 프로토콜을 구체적으로 설명한다. 프로토콜은 크게 아래와 같이 4 단계로 이루어진다.
• 1단계: 각 기지국은 파일롯 신호와 함께
• 2단계: 희망하는 신호의 요구되는 수신 전력 레벨
subject to
여기에서, 이다. 이 때, 제약 조건 (3b)에 대해, 기지국
• 3단계: 해 집합 를 가지는 사용자들은 계산한 간섭 누수를 그들이 속한 셀 기지국에 전송한다. 이 때, 두 가지 제약 조건 (3b) 및 (3c)를 동시에 만족하지 않는 사용자들이 존재할 수 있다. 그러한 사용자들은 간섭 누수를 전송하지 않는다.
• 4단계: 각 기지국은
최종적으로, 각 셀에서 선택된 사용자들은 최적화된 전처리기 (즉, 송신 벡터 및 전력 레벨)를 사용하여 자신의 패킷을 전송한다. 각 기지국은 수신 필터 (본 연구에서는 ZF 또는 MMSE 검파기 사용)를 사용하여 사용자들의 신호를 복호하는데, 이 때 타 셀로부터의 간섭은 잡음으로 간주한다.
본 절에서는 각 사용자에서 최적의 집합 를 찾는 방법에 대해 설명한다. 다음 theorem은 주요 결과를 보여준다.
• 로 주어진다. 이 때,
• 에 대한 해가 존재하지 않는다.
여기에서,
여기에서,
•
•
이전 연구 [5,6]에서는 기회적 간섭 정렬 framework 가 간단한 ZF 검파기를 사용하여 설계되었는데, 이는 수신 단에서 ZF 검파는 간섭 다중 접속 채널에서 최적의 자유도를 보장하기 충분하기 때문이다. 반면, 합 용량 측면에서의 시스템 성능은 ZF 검파 대비 개선된 수신기 구조를 사용함으로써 더욱 개선될 수 있다. 따라서 본 장에서는 동일한 채널 모델 (MIMO 간섭 다중 접속 채널 모델)에서 MMSE 검파기를 사용한 에너지 효율적 기회적 간섭 정렬 기술을 소개한다[9].
ZF 검파를 사용하는 기지국은 기지국 자신과 타 셀 사용자 간 채널 상태 정보를 획득할 필요가 없다. 하지만 ZF 검파를 사용하는 기술은 셀 당 사용자 수가 충분히 크지 않을 경우 성능 개선이 크지 않을 수 있다. 유한한 수의 셀 당 사용자에 대해 간섭은 완벽히 제거되지 않기 때문에, 각 수신 부공간에 남아있는 간섭량은 수신 신호 대 간섭 및 잡음비를 감소시키고, 이는 합 용량 측면에서의 성능 열화를 야기한다.
셀 간 간섭 (즉, 기지국과 타 셀 사용자 간 채널 링크)이 수신 단에서 알려져 있다면, 각 기지국은 홈 셀 사용자의 신호를 복호하면서 효율적으로 각 수신 부공간 내 남아있는 간섭 레벨을 억제할 수 있다. MMSE와 수신 부공간 필터링은 기지국과 타 셀 사용자 간 채널 링크를 포함하는 추가적인 정보에 기반하여 설계된다. 셀
이 때, 셀
여기에서,
이다.
다중 셀 상향링크 네트워크 환경에서 ZF 및 MMSE 검파기 사용 시 각각 장단점이 존재한다. 앞서 언급한 바와 같이 ZF 기반 수신기는 단지 셀 내 채널 상태 정보에 기반하여 동작하기 때문에, 기지국에서 셀 간 간섭을 획득할 필요가 없으며, 따라서 셀 내 간섭 링크의 정보를 요구하는 MMSE 기반 수신기와 비교할 때 오버헤드를 줄일 수 있다. 반면, MMSE 검파를 사용한 기회적 간섭 정렬 기술은 거의 모든 SNR 영역에 대해 ZF 검파기를 사용한 경우보다 훨씬 더 높은 합 용량을 보장할 수 있게 된다. 이는 다음 장에서 컴퓨터 모의실험을 통해 확인할 수 있다.
본 장에서는 모의실험을 통해 기존 기회적 간섭 정렬과 제안한는 에너지 효율적 기회적 간섭 정렬 기술 간성능을 비교한다. 또한 ZF 검파 및 MMSE 검파 기반 기회적 간섭 정렬 기술 간 성능을 비교한다.
먼저 최대 송신 전력과 함께 동작하는 SVD 기반 기회적 간섭 정렬 기술 [6]과의 성능을 수치적으로 비교 분석한다. 모의실험 환경은
그림 2에서는 두 가지 기회적 간섭 정렬 기술의 합 용량이 수신 SNR (dB 스케일)에 따라 측정된다. 편의 상두 가지 기술 모두 수신 단에서 ZF 검파기를 사용한다. 심지어 더 작은 송신 전력과 함께 제안하는 기술은 전력 제어를 사용하지 않는 기존 기술과 비교할 때 거의 모든 SNR 영역에서 더 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로
다음으로, ZF 검파 및 MMSE 검파 기반 기회적 간섭 정렬 기술 간 성능을 수치적으로 비교 분석한다. 모의실험 환경은
송신 전력 제어를 통한 에너지 효율적 기회적 간섭 정렬 프로토콜이 MIMO 간섭 다중 접속 채널에 대해 제안 되었다. 이 기술은 추가적인 피드백/피드포워드 오버헤드 없이 분산적인 방법으로 동작할 수 있다. 보다 구체적으로, 최적의 송신 벡터 및 전력 집합을 소개하였다. 제안하는 기회적 간섭 정렬 기술은 대부분은 SNR 영역에 서 전력 제어를 사용하지 않는 기존 기회적 간섭 정렬 기술보다 높은 합 용량을 취득할 수 있음을 보였다. 또한, ZF 검파 및 MMSE 검파를 사용한 에너지 효율적 기회적 간섭 정렬 기술의 성능을 비교하였고, MMSE 검파 방법이 더 높은 합 용량을 보장함을 확인하였다.