As the next-generation mobile communication system needs ubiquitous access and a higher QoS and, wireless communication systems must be equipped with more complicated network functions. In order to offer broadband service to mobile subscribers with limited radio resources, improve the mobility and accessibility of mobile terminals, and enhance the flexibility of network structures, the cell coverage of wireless transmitters must be made narrower, and wireless relay functionality must be enhanced. Wireless relay network application in communication infrastructure networks will greatly increase in the future and will assume various forms. Therefore, the characteristics of each existing wireless relay network must be analyzed, and the optimal use of relay network infrastructures must be studied further.
In this thesis, the MMR network that integrates the PMP connection network and the ad-hoc network, the LEO satellite ISL network that is a wireless relay network, and the routing problem in mesh networks with many backhauls were all examined. A routing solution was correspondingly devised and analyzed under various conditions.
We defined the system model for the routing problem in the MMR network, in which the access network of the cellular wireless PMP mode and the ad-hoc network were mixed, we also proposed an access method that can be used to address the problem. Particularly, the k-stage diversity search procedure was invented to obtain DD (delay diversity) using the Dijkstra algorithm in order to solve the problem, The solution searching procedure and calculation results were presented using examples. The routing problems for inter-satellite links provided by LEO satellite constellation were analyzed and formulated as a long-range relay network. Considering the VPC handover, the ISL capacity constraints, and the path delay, we likewise devised an algorithm that is based on dynamic programming and Lagrangean relaxation in order to solve the routing problem. The fixed short-range wireless backhaul relay network with a control channel and a broadband data channel was also examined as another form of wireless relay network. Meanwhile, link control policies were discussed with respect to data service types. Efficient link control policies were also presented to maximize the system throughput with regard to the control model for both link-based and path-based approaches. Heuristics that could apply these two approaches to the real-time network was also presented.
차세대 이동 통신에서 요구되는 특징은 이동 단말에게 광대역 서비스를 제공하여 QoS (quality of service)를 높이고, 이동단말의 이동성(mobility)를 개선시키고, 이동 단말의 접속성과 네트워크 구성의 유연성을 높이기 위한 릴레이기능이 추가시키는 것으로 요약된다. 이동 단말에게 고속의 이동성과 실시간 광대역 서비스를 제공하는 3.5세대 통신에서 무선 릴레이 기능을 부가하려는 노력이 한창이며, 무선 릴레이 네트워크 기술은 향후 4G 이동 통신의 중요한 한 축을 담당하게 될 것이다. 무선 릴레이 네트워크는 유선 네트워크가 가지지 못하는 장점을 많이 가지고 있기 때문에 앞으로 통신 인프라 네트워크에서 그 활용도가 매우 높아 질 것이며 대부분 현재의 단순 릴레이 서비스 이용단계에서 탈피하여 다양한 형태로 본격적인 활용이 예상되고 있다
유선 네트워크에서와 달리 무선 릴레이 네트워크에서는 무선자원을 많은 통신 노드들이 공유하여 사용하기 때문에 무선 주파수 채널이 가지는 잠재적인 약점인 상호 간섭 문제와 동일한 채널을 2대 이상의 노드들이 점유했을 경우 발생하는 충돌 문제, 장거리 전송으로 인한 신호 감쇄와 전파 지연시간, 전파 장애물 등의 문제를 적절히 극복하여 사용할 필요가 있다. 더구나 무선 릴레이 노드의 처리용량의 한계가 있는 경우 적절한 부하의 분산정책도 필요하다.
무선 릴레이 네트워크는 노드간의 연결 링크와 네트워크 구성의 방식에 따라 세 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 형태는 링크의 거리가 1 km 이내이며 기존의 중앙 집중형 스타 구조의 무선 액세스 네트워크 (centralized wireless access networks)의 성능 개선과 서비스 카버리지 확장을 위한MMR(mobile multi-hop relay networks) 네트워크와 두 번째 릴레이 간 통신링크의 거리가 수십~수백 km 이상이며 LOS 환경이 보장되는 ISL(inter satellite network)와 같은 메쉬 타입의 장거리 릴레이 네트워크(long range relay networks)와 세 번째 형태는 네트워크를 구성하고 있는 연결 링크의 거리가 수백 미터 이내로 비교적 짧고 비가시거리 (NLOS: non line-of-site) 환경에서 사용되는 메쉬 타입의 단거리 릴레이 네트워크 (short range relay networks) 이다.
위 세 가지 릴레이 네트워크에 대한 라우팅 문제는 각 네트워크가 가지는 특성에 따라 달리 해결되어야 하며 네트워크의 형태에 따를 라우팅 이슈는 다음과 같다.
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MMR 네트워크의 링크 제어문제는 최근에 본격적으로 연구가 시작되고 있는 분야로 대부분의 연구들은 2홉이라는 특수 조건을 대상으로 하고 있기 때문에 앞으로 전개될 멀티 홉 MMR에서 사용하기 위해서는 많은 수정이 필요할 것이다. 또한 path의 품질 지표를 노드간 거리의 합과 링크의 Path Loss의 합 또는 선택 문제로 단순화하였기 때문에 cost function의 수립에 문제가 많다. 특히 OFDM/A변조로부터 오는 Transmit Delay Diversity 효과를 전혀 고려하지 않고 있다. 본 연구에서는 멀티 홉에 MMR 네트워크에도 적용가능 한 라우팅 방식을 제안하였으며, 이를 위하여 path의 품질지표인 SNR과, path에 대한 Transmit Delay Diversity를 고려한 라우팅 알고리즘을 제안하였다. 이를 위하여 Dijkstra 알고리즘에 기반하여 N개의 Diversity path에 대한 Stage를 정의하고 각 Stage별로 최적 해를 도출하는 과정을 제시하였다. Diversity path의 개수 설정은 인접 셀과의 간섭문제와 네트워크의 운용 정책에 따라 달라질 수 있다.
ISL 저궤도 위성 네트워크에 대한 링크 제어연구는 지금까지 시간에 따라 변화하는 ISL 서버넷 토폴로지에서의 라우팅 문제를 다루었다[25-27]. 특히 [25]에서는 VPC handover rate와 path delay를 최소화 하는 저궤도 위성 pair간의 라우팅 문제를 다루고 있다. 여기서는 휴리스틱으로 문제를 풀고 있기 때문에 최적 해를 구하지 못할 수도 있다. 더구나 ISL의 라우팅 문제에서 ISL용량 제약도 고려하지 않았다. 반면 [27]에서는 ISL 용량문제는 반영하였지만 VPC 핸드오버는 고려하지 않고 있다. 따라서 ISL의 용량문제와 VPC핸드오버 문제를 고려한 최적의 라우팅 방법을 찾기 위하여 Dynamic programming과 Lagrangean relaxation에 기반한 알고리즘을 고안하였다. 본 연구에서 ISL 용량문제를 고려하지 않는다면 최적해를 구할 수 있다. 이는 최적해가 보장되지 않는 [25]에서의 연구결과보다 훨씬 우수한 연구결과를 얻었다. 그리고 용량제약이 있는 경우라도 최적해의 Lower Bound를 찾을 수 있으며, 휴리스틱에 의하여 해를 개선해 나갈 수 있는 방법을 수리적으로 고안하였다. 마지막으로 매쉬형의 단거리 백홀 망에서는 요구되는 서비스에 따라 무선 링크를 최적으로 제어하는 알고리즘을 제안하였다. 연결기반 서비스를 위하여 routing path 에 기반한 휴리스틱 접근방법과 비 연결 기반 서비스를 위한 link 기반 제어방법이 고안되었다.
향후 각 릴레이 네트워크 형태별 현장운용에서 일어날 수 있는 여러 가지 문제들을 발굴하여 문제에 대한 실험 적용을 충분히 거쳐 검증할 필요가 있다. 무선 릴레이 네트워크에 대한 연구는 시작단계이며 무선 운영환경상 시스템 파라미터의 불확실성이 높기 때문에 네트워크 특성을 충분히 반영하여 접근해야 할 것이다. 향후 현장 실험을 통하여 다양한 환경변수를 발굴하여 이를 연구에 접목하고 현장에서 유용하게 적용될 수 있도록 발전해 나가야 할 것이다.
