Analysis of Maximal Topologies and Their DoFs in Topological Interference Management

Abstract

In this dissertation, four main contributions are given as i) design of maximal topology in topological interference management (TIM), ii) design of maximal topology matrix and generalized alliance construction, iii) topological interference management- treating interference as noise (TIM-TIN) decomposition, and iv) inter-cell interference coordination (ICIC) based on cell zooming are considered. First, we propose a method of alliance construction, which derives maximal topology by stipulating several conditions for message relationship in the alignment graph and conflict graph. Maximal topologies are the topologies of K-user interference channel, where any interference link cannot be added without degenerating current degrees of freedom (DoF). It is proved that a topology is maximal if and only if it is derived from the alliance construction. Through alliance construction, any maximal topologies achieving symmetric DoF 1/2 can be designed. Properties of alliance construction are derived such as the maximum number of alliances to be constructed for the given number of messages K and a method to partition messages into sub-alliances. Second, message relationship based on alliance construction is translated into topology matrix in TIM. Permutation of the topology matrix is used to demonstrate the characteristics of the alliances easily in the topology matrix. The conditions for maximal topology matrix (MTM) are characterized and the discriminant of topology matrix for maximality and transformation of non-MTM into MTM are proposed. Alliance construction is generalized by introducing generalized sub-alliances, which extends the range of topologies derived from alliance construction in the achievable DoFs. The analysis of generalized alliance construction in the topology matrix is also proposed. Third, TIM-TIN decomposition is proposed in order to handle with intermediate links in interference channel. The criterion how to separate interference links into TIM and TIN is proposed for generalized degrees of freedom (GDoF) performance. Since GDoF in TIN depends on the Hamiltonian path in graph of interference channel, it is NP-hard problem and the optimal solution is hard to be proposed for GDoF. Instead of the optimal solution, a method to derive sub-optimal solution is proposed using modified channel matrix (MCM) and simulation result will be followed to show the performance of the proposed decomposition. Lastly, ICIC for self organizing cellular network is proposed, where each base station (BS) is not able to share information through backhaul to perform conventional ICIC schemes.The proposed ICIC scheme is based on distributed cell zooming, where non-cooperative game theory is used. Further, it is shown that proposed scheme can efficiently handle inter-cell interference and coverage hole problem in self organizing network by simulation result.

본 논문에서는, i) 동맹 건설을 이용한 토폴로지 간섭관리에서 최대 토폴로지 설 계, ii) 최대 토폴로지 행렬 설계 및 일반화된 동맹 건설과 이를 이용한 자유도 1/2 미만의 토폴로지 설계, iii) TIM-TIN 분리 기법 iv) 셀 간 간섭 조정 (ICIC)이 연구되었다. 먼저, 기존의 정렬 집합을 확장시켜 내적 갈등이 없고 집합 갈등을 만족하는 메세지들의 집합인 동맹 (alliance)을 정의한다. 동맹을 기반으로 상호 부분 적대를 만족하는 동맹 건설을 제안하고 이를 통해 최대 토폴로지를 생성한다. 대칭 자유도가 1/2인 모든 최대 토폴로지는 동맹 건설을 통해 설계가 된다는 것을 증명한다. 또한 동맹 건설을 이용하여 동맹의 최대 수, 동맹으로 메세지 할당 등 최대 토폴로지의 특성에 관한 내용을 제시한다. 동맹 건설을 활용하여, 최대 토폴로지 판별과 변형을 제안한다. 두 번째로, 토폴로지의 최대성을 보다 쉽게 분석하기 위해, 정렬-갈등 그래프 와 관련된 동맹 건설을 토폴로지 행렬로 변형시킨다. 최대 토폴로지 행렬 (maximal topology matrix; MTM)의 필요 충분 조건을 유도하고 MTM의 판별과 변형 역시 제안한다. 나아가, 일반화된 부분동맹을 통해 동맹 건설을 일반화하고 1/n 자유도를 얻는 토폴로지를 설계한다. 일반화된 동맹 건설도 행렬 형태로 표현되고 제안하는 기법에서 자유도 1/n을 얻는 최대 토폴로지의 조건을 제시한다. 세 번째로 일반화 자유도 합의 차선해를 위한 TIM-TIN 분리 기법을 제안한다. TIM-TIN 분리의 기초에서 시작하여, TIM과 TIN에 간섭 링크들을 분배하는 구체적 인 방법을 동맹 건설과 변형 채널 행렬 (modified channel matrix; MCM)을 활용하여 제안한다. MCM을 이용하여 각각 간섭 링크들이 각 송수신 쌍의 일반화 자유도에 대한 상대적 영향을 측정할 수 있다. 마지막으로, 자가 조직화 셀룰러 네트워크를 위한 셀 간 간섭 조정 기법이 제안 되었는데,각기지국은 종래의 셀 간 간섭 조정방식을 수행하기 위한 정보를 백홀을 통해 공유할 수 없는 상황에서 간섭조정을 수행한다. 제안된 셀 간 간섭 조정 기법은 비협조적 게임 이론이 사용되는 분산 셀 확대 기법에 기반을 두고 있다. 또한, 제안 된 기법이 자가 조직화 셀룰러 네트워크에서 셀 간 간섭 및 커버리지 공동 문제를 효율적으로 처리 할 수 있음을 모의 실험을 통하여 보인다.