Recently, multi-hop networks are being spotlighted for the next generation networks. The most attractive benefits of multi-hop communication systems are not only the enhancement of user capacity and service coverage but also the reduction of deployment cost.
In this dissertation, we focus on the capacity enhancement through relay in multi-hop networks. By introducing relay systems, we can enhance signal to noise ratio and therefore we can acquire higher data rate between a transmitting node and a receiving node with given radio resources. However, without spatial reuse of radio resource and the spatial diversity gain induced by multi-path relay, this benefit is reduced or meaningless in multi-hop networks.
According to the growing demand of broadcasting systems such as DVB systems, many researches on data transmission schemes using hierarchical constellation are progressing to increase link capacity. However, there are no data transmission scheme using the characteristics of hierarchical constellations in the case of unicast systems, especially for multi-hop networks.
In this dissertation, we propose hierarchical constellation based data transmission schemes by utilizing the differing degrees of bit robustness against channel errors for multi-hop networks. Then, we examine the capacity gains of the proposed data transmission schemes through numerical analysis under multi-cell environments.
At first, we propose an adaptive resource allocate scheme based on hierarchical constellations. A symbol is allocated to a user entirely in conventional scheme whereas we divide a symbol into several bits and allocate these bits to multiple users adaptively to the channel condition of each user in our scheme. Because a symbol consists of multiple bits with different robustness against channel errors, a bit-by-bit resource allocation can be easily applied for adaptive resource allocation. To maximize the total cell capacity, we formulate a maximization problem based on some constraints in allocating hierarchical constellations. In addition, we use numerical analysis in multi-cell environments to validate the performance of our proposed scheme, and show that the cell capacity can be enhanced by increasing the average transmission bit rates per symbol.
Secondly, we study a simple and efficient prioritized scheduling scheme based on hierarchical constellations to reduce the packet loss rate and enhance packet throughput. Hierarchical constellation generates multiple bits with differing degree of robustness. Based on this characteristics of hierarchical constellations, the retransmission packets are allocated to the robust hierarchy. Therefore, we can reduce the packet loss rate while improving the packet throughput.
Thirdly, we improve the cell capacity gain by applying a generalized spatial reuse scheme to multi-hop networks. Here, we show that the capacity can be enhanced by implementing the optimal reuse cluster size, which is determined by the distance between adjacent relay nodes, and using as many relay nodes as possible.
Finally, we propose a hierarchical constellation based multi-hop relay scheme. This scheme is composed of two phase. In the first phase, BS relays the data to RSs using various class of frames made by hierarchical constellation and 6-sector directional antenna. In this phase, MSs receive data selectively according to the channel conditions. In the second phase, MSs request the retransmission data selectively to RSs. In addition, we perform the numerical analysis and verify that the throughput of the proposed schemes is higher than that of the conventional scheme. The results indicate a significant improvement in capacity through an adequate hierarchical constellation according to the channel conditions and network architectures.
최근 다중홉 통신은 차세대 통신 시스템으로 각광받고 있다. 다중홉 통신 시스템의 가장 매력적인 이득은 사용자 용량과 서비스 영역 개선 뿐만 아니라 설치 비용도 낮출 수 있다는 것이다.
본 논문에서 우리는 용량 개선에 초점을 맞춘다. 중계 시스템을 도입함으로써 신호대 잡음 비율을 향상시킬 수 있고 그 결과 송신 노드와 수신 노드 사이에서 데이터 전송 속도를 높일 수 있다. 그러나 무선 자원의 공간적인 재사용과 다중 경로 중계를 통한 다이버시티 이득을 사용하지 않는다면 이 이득은 감소된다.
또한 최근 방송시스템의 발달로 계층적인 성상도를 이용한 데이터 전송에 관한 연구들이 각광받고 있다. 그러나 이러한 계층적인 성상도의 특성을 다중홉 통신 시스템에 적용한 연구는 진행되지 않았다.
본 논문에서 우리는 계층적인 성상도의 각 비트가 채널 에러에 대해 다양한 강인도를 가지고 있다는 점에 착안하여, 이를 활용한 계층적인 성상도 개념을 이용하여 효율적인 다중홉 데이터 전송 방안을 제안한다. 그리고 제안된 방안의 성능향상을 다중 셀 환경에서 수학적 분석을 통하여 알아본다.
첫째로, 계층적인 성상도에 기반한 적응적 자원 할당 방식을 제안한다. 기존의 시스템에서 하나의 심벌은 한명의 사용자에게 전부 할당되는 반면 제안한 방식에서는 하나의 심벌이 여러 사용자에게 비트 단위로 나누어져서 할당된다. 왜냐하면 하나의 심벌을 구성하는 비트들이 갖는 에러 특성들이 비트들 마다 모두 다르기 때문에, 다양한 채널 환경 하에 있는 여러 사용자들이 나누어 사용함으로써 효율적인 적응적 자원 할당이 가능하다. 이 때, 총 셀 용량을 극대화하기 위해서 계층적인 성상도의 할당에서 제한점을 고려하여 셀 용량 최대 문제를 설정한다. 그리고 이 문제를 풀어서 셀 용량이 개선됨을 보인다.
둘째로, 패킷 손실률을 줄이고 패킷 수율을 증가시키기 위해서 계층적인 성상도 기반 스케줄링 방식을 제안한다. 이 방식에서는 패킷 손실률 줄이기 위해서 재전송 되는 패킷은 계층적인 성상도에서 에러에 강인한 비트로 전송한다. 제안한 방식이 수율을 증가시키는 동시에 패킷 손실률을 감소시킨다는 것을 수학적 분석을 통하여 객관화 한다.
셋째로, 다중홉 시스템에서 다중홉 링크간에 무선 자원의 재사용 방안을 제안하여 셀 성능을 개선한다. 본 방식에서는 다른 영역에서 전송된 데이터는 간섭으로 간주되기 때문에 이에 기반한 수학적 분석을 통하여, 최적의 재사용 영역의 크기를 결정하고 그 결과 셀 용량이 개선될 수 있음을 보인다.
마지막으로, 계층적인 성상도 기반 다중홉 적응적 중계 방식을 제안한다. 무선자원의 공간적인 재사용을 통한 성능 개선을 목표로 한 방식과는 달리, 본 방식에서는 소스 노드에서 전송된 데이터를 중계 노드나 목적 노드들이 간섭으로 간주하지 않고 데이터를 엿들음으로써 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다. 이 때, 효율적으로 중계 노드나 목적 노드가 데이터를 엿들을 수 있도록 계층적인 성상도를 이용한다. 제안한 방식의 우수성을 다중셀 환경에서 시스템 레벨 수학적 분석을 통하여 객관화한다.
