Cyclic Interference Alignment in Multi-User Communication Networks

Maier, Henning; Mathar, Rudolf; Sezgin, Aydin

doi:34604

Cyclic Interference Alignment in Multi-User Communication Networks = Zyklische Inteferenzausrichtung in Mehrnutzer-Kommunikationsnetzwerken

Maier, Henning

2015

VerantwortlichkeitsangabeHenning Maier

ImpressumAachen : Shaker 2015

UmfangV, 165 S. : graph. Darst.

ISBN978-3-8440-3723-4

ReiheBerichte aus der Informationstechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mathar, Rudolf (Thesis advisor) ; Sezgin, Aydin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-036725
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/480435/files/480435.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/480435/files/480435.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Informationstechnik (613410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei) ; interference alignment (frei) ; interference neutralization (frei) ; degrees-of-freedom (frei) ; interference channel (frei) ; propagation delay (frei) ; cyclic polynomial channel model (frei) ; multi-user information theory (frei) ; coding (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird ein neues Kanalmodell auf der Basis einer polynomiellen Ringdarstellung entwickelt - das zyklisch polynomielle Kanalmodell (ZPKM). Das aufgezeigte Modell ist angeregt durch die Interferenzausrichtung über die Verzögerungszeit der Signalausbreitung, die algebraisch einfache Beschreibung zyklischer Codes, und das linear-deterministische Kanalmodell (LDKM), welches von Avestimehr et al. eingeführt wurde. Das ZPKM beschreibt Mehrnutzer-Kommunikationssysteme mit Interferenz. Darin erfährt jedes gesendete Signal eine individuelle zyklische Verschiebung. An den Empfängern interferieren die verschobenen Signale miteinander. Verschiedene Mehrnutzer-Kommunikationssysteme werden aus einer informationstheoretischen Perspektive unter Anwendung des ZPKM untersucht. Diese Systeme reichen von elementaren unidirektionalen Mehrbenutzerkanälen bis zu Multi-Way- und Multi-Hop-Netzwerken mit Relays. Es werden optimale Kommunikationsstrategien hergeleitet, um maximale Datenraten zu erreichen. Diese Schemata schließen Interferenzausrichtung, Signalausrichtung, Interferenzneutralisierung, orthogonalen Mehrfachzugriff und lineare Codierungsverfahren ein. Die Verwendung des ZPKM ist im Vergleich zum konventionellen Gaußschen MIMO-Kanalmodell und dem LDKM für die Approximation optimaler Kommunikationsmethoden von Vorteil. Dabei werden Trennbarkeits-Bedingungen definiert, um eine lineare Dekodierung an den Empfängern zu ermöglichen. Dieser Schritt unterstützt die Klassifizierung komplexer Interferenzmuster in Mehrnutzersystemen und erleichtert die Herleitung der Gültigkeit und Optimalität der diskutierten Kommunikationsverfahren. Infolgedessen wird aufgezeigt, dass optimale Lösungen in kompakter Form existieren, auch und gerade für Kanäle mit willkürlichen zyklischen Verschiebungen. Diese Arbeit beinhaltet eine umfassende theoretische Analyse und optimale Kodierungsverfahren für unterschiedliche Mehrnutzer-Interferenznetzwerke, die mit willkürlichen zyklisch verschobenen Kommunikationsverbindungen modelliert wurden.

In this thesis a novel channel model is developed on the basis of a polynomial ring representation - the cyclic polynomial channel model (CPCM). The proposed model is inspired by interference alignment by propagation delay, the algebraically convenient description of cyclic codes, and by the linear deterministic channel model (LDCM) as introduced by Avestimehr et al. The CPCM describes multi-user communication systems with interference. Therein, each transmitted signal experi¬ences an individual cyclic shift and at the receivers, those shifted signals interfere with each other. Several multi-user communication systems are investigated from an information-theoretic perspective applying the CPCM. These systems range from elementary unidirectional multi-user channels to multi-way and multi-hop networks with relays. We derive optimal communication strategies to achieve the maximal data-rates. These schemes involve interference align¬ment,signal alignment, interference neutralization, orthogonal multiple-access and linear coding schemes. Utilizing the CPCM is convenient for an approximation of optimal communication schemes when compared to the conventional Gaussian MIMO channel model and the LDCM. We define separability conditions to allow for linear decodability at the receivers. This step assists us in classifying the intricate interference patterns of multiple users and it facilitates the derivation of feasibility and optimality of the proposed communication schemes. As a result it is shown that optimal solutions exist in a compact form, even for channels with arbitrary cyclic shifts. This thesis provides a comprehensive theoretical analysis and optimal coding schemes for various multi-user interference networks modelled with arbitrary cyclic shifted communication links.

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