In this paper, we study how the opportunistic relaying can improve both capacity and fairness in cellular network. In wireless network, capacity and fairness are two goals which cannot be achieved simultaneously. To maximize the cell throughput, fairness cannot be guaranteed and vice versa. We show that the achievable average throughput region can be enlarged by using the cooperative relaying. Thus, the enlarged region means that capacity and fairness can be improved at the same time with adequate scheduling algorithm. From the proposed scheduling algorithm, any fairness criterion can be achieved by adjusting control variable. The achieved throughput by opportunistic relaying shows that the max-min fairness does not sacrifice the cell capacity when the relaying channel gains are infinite. From the simulation, we show that the performance improvement gets higher as the user channels become more heterogeneous. Additionally, we propose the feedback algorithm to diminish the amount of the feedback.
본 논문은 셀룰러 환경에서 단말들 간의 기회적인 릴레이 통신을 이용하여 시스템의 용량과 공평성을 모두 증대 시키는 방안을 제안하고 있다. 무선 환경에서의 모바일 단말들은 페이딩의 영향으로 열악한 채널 환경을 경험하기도 하고, 기지국으로부터의 먼 거리로 인해 낮은 용량을 보이기도 한다. 기지국에서의 스케줄링 시 공평성 측면으로 인해 이렇게 열악한 환경에 있는 사용자들에게도 기회를 주어야 하지만, 이것은 전체적인 시스템의 성능을 저하시키는 결과를 가져온다. 이렇듯 시스템의 효율성과 공평성은 서로 이율배반의 관계를 가지며 이 두 가지의 목표를 동시에 얻고자 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 비례 공평성을 만족시키는 스케줄러는 무선에서 이 두 가지의 목표를 적절히 만족시키는 스케줄링 알고리즘으로서 널리 사용되어왔다. 하지만 사용자와 기지국과 채널 특성이 사용자 별로 상이할 경우 비례 공평성 스케줄링 알고리즘을 적용하더라도 사용자들이 받는 평균 용량은 매우 불공평 해지게 된다.
이 논문에서는 기회적인 릴레이 기법을 제안하고, 이 기법은 사용자들간의 협력 통신을 이용하게 된다. 이 기회적인 릴레이 기법은 직접적인 통신에서 얻을 수 있었던 사용자들의 평균 용량 영역을 확장 시키게 된다. 따라서 기존의 직접적인 통신에서의 용량과 공평성의 이율배반 관계를 뛰어 넘을 수 있는 영역을 찾을 수 가 있게 된다. 하지만 이 영역은 적절한 스케줄링 알고리즘을 통해 서만 얻을 수 가 있게 되는데, 이 논문에서는 이러한 영역의 한 점을 획득할 수 있는 스케줄링 알고리즘도 제안한다. 제안하는 스케줄링 알고리즘은 매우 일반적인 형태의 공평성을 만족시킬 수 있으며 이 때 얻어지는 평균 용량 또한 만족도 함수의 총합을 최대화 시킬 수 있게 된다. 즉 시스템에서 효율성을 최대한 할 뿐만이 아니라 사용자 간의 공평성도 보장하여 줄 수 있게 된다. 기회적인 릴레이 기법을 사용하면 사용자간 릴레이 채널 환경이 좋아질 경우 점점 공평성을 더욱더 최대-최소 공평성에 근접 시킬 수가 있는데 이때도 무선에서의 효율성이라는 측면을 희생시키지 않을 수 있다는 데에 큰 이점이 존재한다.
기회적인 릴레이기법은 기본적으로 목적지의 주변의 사용자에게서 목적지로 보다 좋은 채널이 확인 되었을 경우 더 좋은 채널을 가진 사용자의 도움을 받기 때문에 사용자간 채널의 불공평성이 커지면 커질수록 기존의 직접적인 통신의 시스템보다 높은 성능향상을 보일 수 있다. 즉 기존에 알려져 있던 사용자간의 채널이 불공평할 경우 공평성을 보장해 주기 위해서는 시스템의 용량을 많이 저하시켜야 한다는 결론에 비해 기회적인 릴레이 기법은 공평성의 보장을 용량의 희생 없이 할 수 있다는데 의의가 있다.
하지만 이러한 기회적인 릴레이 기법은 사용자들로부터의 많은 양의 피드백 정보를 필요로 하는데, 이것의 양과 절차를 간소화 하기위한 기법을 제안한다. 사용자간 채널 피드백시 무선 채널의 브로드캐스팅 특성을 적절히 이용함으로서 기존의 직접적인 통신과 비교하여 많은 오버헤드 없이도 위에 제안한 성능을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
