In this dissertation, various types of urban microcell configurations are investigated, and effective radio resource management schemes are proposed.
In the first part of this dissertation, low-tier user mobility is characterized in typical urban microcells i.e., cross-shaped cells and cigar-shaped cells, and then the two types of microcells are evaluated and compared. It is shown that a more suitable cell shape with respect to handoff traffic and its signaling load is determined by a user mobility feature characterized by a probability of straight movement at an intersection. On the other hand, blocking probability mainly depends on the cell size, not the shape.
In the second part of this dissertation, an urban fiber-optic microcellular system is considered in which a cigar-shaped cell consists of several microzones with their own antenna sites connected to a central station through optical fibers. To increase the efficiency of radio resources and reduce unnecessary handoffs between microzones, a movable safety zone scheme is proposed. A safety zone is a virtually guarded area that does not permit co-channel interference. Outside the safety zone, co-channels can be reused. The safety zone can move under the condition that its user does not encounter co-channel interference, as the user moves to an adjacent microzone. The proposed system can handle a traffic capacity of approximately 12 erlangs for 7 traffic channels with a call blocking probability of 1%.
In the last part of this dissertation, a four-sector cross-shaped urban microcellular system with intelligent switched-beam antennas is proposed. Each sector covers a street block with a base station located at an intersection, and an intelligent beam-switching scheme is used to locate mobile users in the most suitable beam coverage. In this system, a channel can be reused simultaneously in multiple neighboring cells as long as co-channels do not encounter each other along the line of sight. The system also increases system capacity more than three times with a blocking probability of 1% and considerably reduces handoff traffic when compared with a conventional cross-shaped microcellular system with an omnidirectional beam pattern.
The analyses are mainly based on M/G/N/N queueing models and user mobility models considering low-tier mobility features in urban areas such as entering-a-building, straight movement along a street, and turning at an intersection. The framework will be utilized in evaluating urban microcellular systems.
무선 이동 통신에 대한 수요가 밀집되어 있는 도심환경에서는 셀의 크기가 수백미터 수준인 마이크로셀 시스템이 유망하다. 그러나 도심 마이크로셀 환경에서는 기존의 매크로셀 환경과는 다른 무선 전파 특성이 나타난다. 이로 인해 셀의 형태는 기존의 육각형이나 원형이 아닌 새로운 모양을 이루며 가입자의 이동 성향도 도로를 따른 직선운동, 교차로에서의 방향전환, 건물로의 진입등 다양하게 나타난다. 본 논문에서는 도심환경의 특성을 고려한 마이크로셀 구성 방안과 효율적인 무선자원 관리기법을 제안하고 그 성능을 평가하였다.
첫번째로, 도심환경에서 도보 가입자의 이동성을 수학적으로 모델링하고 이를 토대로 십자형셀과 일자형셀의 성능을 비교 평가하였다. 성능 평가는 두가지 관점에서 이루어졌다. 하나는 망에 가해지는 신호트래픽 부하와 관련한 핸드오프 발생율이고 다른 하나는 사용자의 서비스품질과 관련한 호손율이다. 해석결과 핸드오프 트래픽은 사용자의 이동성향 즉, 교차로에서 직진할 확률에 의해서 바람직한 셀의 형태가 결정되며, 호손율은 셀의 형태보다는 크기에 의존하는 것으로 나타났다.
두번째로는 광 마이크로셀룰라 시스템을 도심환경에 적용하고 무선자원의 효율적인 사용을 위해 이동안전지대 개념을 도입했다. 일렬로 배열된 다수의 마이크로존 안테나가 일자형셀을 이루고 셀내에서 동일채널간섭영역 내의 마이크로존을 묶어 안전지대를 설정하여 이를 단위로 채널을 재사용한다. 사용자의 마이크로존간 이동에 의해 발생할 수 있는 셀내 핸드오프를 줄이기 위해 안전지대를 사용자와 같은 방향으로 이동시킨다. 본 방식을 이용함으로써 무선 채널의 재사용 효율이 월등히 향상되었고 불필요하게 발생할 수 있는 셀내 핸드오프도 줄일 수 있었다.
마지막으로는 지능형 스윗칭빔 안테나를 이용해서 십자형 마이크로셀을 네개의 섹터로 운용하는 방식을 제안하고 성능을 평가하였다. 네개의 방향성 안테나를 교차로에 동 서 남 북 각각의 방향으로 설치하고 하나의 방향성 안테나가 커버하는 도로영역을 하나의 섹터로 한다. 사용자의 현재 위치에서 가장 적당한 안테나 빔을 통해 통신이 이루어지며 이동에 의해 가입자의 위치가 변화하는 경우에는 기지국내의 채널요소 (channel element)와 빔간의 스윗칭이 이루어져 새로운 빔을 통해 핸드오프 없이 현재의 채널을 계속 이용할 수 있다. 송신신호의 지향성과 도심 환경에서의 전파특성때문에 가시권 (line of sight)를 피하면 동일 채널을 인접 셀에서 간섭없이 재사용할 수 있다. 본 방식을 이용하면 호손율 1%를 기준으로 약 300%정도의 용량증대를 얻을 수 있었다.
본 논문의 성능 분석은 M/G/N/N 대기체계 모형을 기반으로 이루어졌으며 성능지수로는 호손율, 핸드오프 발생율, 무선 채널 재사용율등이 이용되었다. 수학적 분석 모형의 타당성을 보이기위해 시뮬레이션을 병행했다. 본 논문에서 보인 분석방식과 결과들은 앞으로 도심형 마이크로셀을 효율적으로 구성하고 그 성능을 분석하는데 유용하게 사용될 수 있다.
