Interferenzmanagement in drahtlosen Netzwerken unter Ausnutzung der Kommunikationsstruktur

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Aydin Sezgin
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2009 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 105921537

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Die immer weiter steigende Nachfrage nach höheren Datenraten bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Methoden für drahtlose Kommunikationsnetzwerke, welche die verfügbaren, jedoch begrenzten, Ressourcen optimal ausnutzen. Dabei zeichnet sich insbesondere die Interferenz, d.h. die gegenseitige Störung von Kommunikationsteilnehmern aufgrund gleichzeitiger Nutzung der selben Ressource, als größte Herausforderung dar. Das Ziel des Projekts war die Bestimmung und die Bewertung des Potenzials neuer Konzepte wie z.B. Interferenz-Alignment, für die intelligente Handhabung von Interferenz. So wurde statt der Verschwendung von begrenzten und wertvollen Ressourcen durch Unterdrückung und Vermeidung von Interferenz ein Paradigmenwechsel in Richtung einer effizienteren Handhabung von Interferenz vollzogen. Mit Hilfe informationstheoretischer Methoden wurde die Kapazität, d.h. die höchste Rate bei nahezu fehlerfreier Übertragung, von elementaren Kommunikationssystemen approximativ oder falls möglich exakt bestimmt. Eines der wichtigsten Ergebnisse des Projekts war die Bestimmung von oberen und unteren Schranken hinsichtlich der Summenkapazität des Interferenz-Relay-Kanals. Diese wurden basierend auf einer approximativen Betrachtung mit Hilfe des Konzepts der verallgemeinerten Freiheitsgrade bestimmt. Somit konnte ermittelt werden, welchen Nutzen ein Relay in einem interferenzbegrenzten Kommunikationsszenario und ein signifikanter Gewinn erreicht werden kann. Interessanterweise stellte sich heraus, dass es durchaus sinnvoll sein kann, wenn das Relay nicht mit voller Leistung sendet. Ein wichtiger Aspekt des Projekts war auch die Charakterisierung von Bedingungen, bei denen die Interferenz der Einfachheit halber als weitere Rauschgröße behandelt werden kann, ohne dabei leistungsabhängige Einbußen hinsichtlich der Optimalität zu erzielen. So zeigt sich, dass diese Bedingungen bei einer für zukünftige Mobilfunkgenerationen wichtigen Klasse von Kommunikationskanälen keine triviale Abhängigkeit von den Kanalstärkeparametern aufweisen. Zudem wurden moderne Kommunikationsstrategien wie Widely Linear Processing und Symbolerweiterungen zur Optimierung der Effizienz hinsichtlich der Leistung und der spektralen Effizienz eingesetzt. So zeigt sich, dass mit diesem Ansatz eine deutliche Reduzierung der benötigten Leistung bei gleicher Anforderungen an die Servicequalität des Kommunikationssystems erzielt werden kann. In Folge dessen wurden im Projekt Ergebnisse erzielt, die Einblicke in fundamentale Zusammenhänge gewährten und nun als wichtige Richtlinien für die konkrete Realisierung und den systematischen Entwurf von zukünftigen Kommunikationssystemen dienen. Die Ergebnisse des Projekts wurden in einem Buch, einem Buchkapitel, 10 Journal-Artikeln in international führenden Journalen wie IEEE Trans. On Information Theory und 38 begutachteten Konferenzbeiträgen auf internationalen Fachkonferenzen publiziert. Die währen des Projekts erzielten Ergebnisse resultierten in drei erfolgreich abgeschlossenen Dissertationsarbeiten.

Publications

• Capacity of the two-way relay channel within a constant gap. European Transactions in Telecommunications, Vol. 21, Issue 4, pages 363-374, June 2010
  A.S. Avestimehr, A.Sezgin, and D. Tse
  
• Achievable and Crystallized Rate Regions of the Interference Channel with Interference as Noise. IEEE Trans. on Wireless Comm., 11(3), pp. 1100-1111 March, 2012
  M. Charafeddine, A. Sezgin, Z. Han, A. Paulraj
  
• Divide-and-conquer: Approaching the capacity of the multi-pair bidirectional Gaussain relay channel. IEEE Trans. on Information Theory vol.58, no.4, pp. 2434-2454, April 2012
  A.Sezgin, A.S. Avestimehr, M.A. Khajehnejad, and B. Hassibi
  
• On the Generalized Degrees of Freedom of the Gaussian Interference Relay Channel. IEEE Trans. on Information Theory, vol.58, no.7, pp. 4432-4461, July 2012
  A.Chaaban and A.Sezgin
  
• Approximate Sum-Capacity of the Y-Channel. IEEE Trans. on Information Theory, 59(9): 5723-5740 , 2013
  A. Chaaban, A. Sezgin, and A.S. Avestimehr
  
• Degrees of Freedom of the Interference Channel with a Cognitive Helper. IEEE Comm. Letters, 17(5): 920-923, 2013
  C. Wang and A. Sezgin
  
• Cooperation for interference management: A GDoF perspective. IEEE Trans. on Information Theory, 62(12): 6986- 7029, 2016
  S. Gherekhloo, A. Chaaban, and A. Sezgin
  
• A Survey on Robust Interference Management in Wireless Networks Entropy 19 (7), 362, 2017
  J. Kakar and A. Sezgin
  
• Expanded GDoF-optimality regime of treating interference as noise in the Mx2 X-channel. IEEE Trans. on Information Theory, 63(1): 355-376, 2017
  S. Gherekhloo, A. Chaaban, and A. Sezgin
  
• Latency-Limited Broadcast Channel With Cache- Equipped Helpers. IEEE Trans. Wireless Communications 16(7): 4192-4203, 2017
  S. Gherekhloo and A. Sezgin