Next generation network (NGN) is a all IP network able to provide telecommunication services through IP packets. NGN consolidates heterogeneous core and access networks such as commercial cellular systems, sensor networks and ad-hoc communications. In this thesis, we assume a nomadic user moves from a cellular system to a sensor network in NGN and discuss how to improve the performance of the user.
Different networks require different communications technologies. However, communication over a point-to-point link is a basic unit of all kinds of communications. For example, a multi-hop communication is a combination of point-to-point communications and a cooperative communication can be considered as two point-to-point communications happening at the same time. Therefore, first of all, we introduce a scheme that improves the performance of the point-to-point link communication. Then we suggest efficient resource allocation algorithms to increase the signal quality of the user adopting the scheme at the cell edge area. Finally, we solve a global synchronization problem that arisen when the user moves to a sensor network.
We have three parts in this thesis. As mentioned above, those parts have a close connection with each other in viewpoint of performance enhancement of the nomadic user, although each part is related to different communication layers.
In Part II, we are interested in the physical layer. To improve the point-to-point communication, we propose a space-time coding scheme for decode-and-forward cooperative relaying in a multi-antenna system. The optimal relay gain is derived to maximize the instantaneous block capacity in the high and low SNR regimes respectively. We also provide a symbol combining scheme for the maximum likelihood (ML) receiver. Through the link level simulation, we show the diversity gain in the high SNR regime and capacity improvement in the low SNR regime can be achieved.
In Part III, we move to the system-level approach. Equipped with the proposed space-time coding scheme, we investigate efficient resource allocation algorithms in cellular communication systems when relays are employed. In general, the cell edge user experiences more inter-cell-interference than the cell center user. We show that the proposed algorithms achieve desired cell edge user performance while the frequency reuse factor is maintained at 1.
In Part IV, we concern medium access control (MAC) layer. To apply the proposed space-time coding scheme to a sensor network, we need to solve the global synchronization problem that splits the overall sensor network into separate virtual clusters. We propose a schedule unifying algorithm that eliminate border nodes that form virtual clusters. Convergence time and order are derived analytically. Throughput degradation is also analyzed. The simulation result shows that the algorithm solves the global synchronization problem successfully and therefore we can apply the proposed space-time coding scheme to the sensor network as well.
With the proposed schemes and algorithms, we can improve the performance of a nomadic user in NGN when the user freely moves from a cellular system to a sensor network or vice-versa.
차세대 네트워크는 모든 서비스가 IP 패킷에 의해 전달되는 All-IP 망으로써, 상용 셀룰러 이동통신 망, 센서 및 애드혹 네트워크 등 서로 다른 종류의 코어망, 엑세스 망이 하나로 통합된 형태의 네트워크이다. 이러한 복잡한 네트워크에서 단말이자 유로이 이동하며 서비스 받기 위해서는 다양한 인터페이스가 요구 된다. 본 논문 에서는 하나의 이동 단말이 차세대 네트워크 내에서 이동 통신 서비스 및 센서 네트워크에서 데이터를 주고 받는 시나리오 상에서 단말의 성능 향상을 위한 방안에 대해서 연구하였다.
서로 다른 종류의 망은 각기 다른 통신 기술을 필요로 하지만, 통신 링크 상에서 두 노드끼리 통신하는 이른바 일대일 통신은 모든 종류의 통신의 기본 단위가 된다. 예를 들면, 멀티 홉 통신은 일대일 통신의 조합으로 설명될 수 있으며 협조적 통신 또한 두 가지의 일대일 통신이 동시에 일어나는 현상으로 이해할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 먼저 일대일 통신상에서 성능을 향상 시킬 수 있는 시공간 부호화 기법에 대해 살펴보고, 이어서 이 방법을 셀룰러 시스템에서 사용할 때 셀 경계 사용자들의 신호 수신 품질을 향상 시킬 수 있는 효율적인 자원할당 방법에 대해서도 알아보았다. 마지막으로, 기 제안된 시공간 부호화 기법을 센서 네트워크에 적용 시키고자 할 때 발생하는 전역 동기화 문제를 해결하는 방법을 제시하였다.
본 논문은 크게 세 부분으로 이루어져 있고, 각 부분은 차세대 네트워크에서 이동 단말의 성능 향상이라는 동일한 목표를 달성하기 위해 서로 유기적으로 연관되어 있다. 첫째, 물리계층에서 성능을 향상 시킬 수 있는 방안으로써, 디코딩 후 전달을 기반으로 하는 협조적 중계 방식을 위한 시공간 부호화 기법을 제시하였다. 높은 신호 대 잡음 비율 영역 및 낮은 신호 대 잡음 비율 영역에서 최적화된 채널 용량을 만족하는 중계기 이득을 각각 유도하였다. 또한 최대 우도 수신기에 적용할 수 있는 심볼 조합 방법을 제시하고, 시뮬레이션을 통해 다이버시티 이득과 채널 용량 향상이 존재함을 보였다. 둘째, 시스템 측면에서 성능을 향상 시킬 수 있는 방안으로써, 기 제시된 부호화 기법을 중계기가 존재하는 셀룰러 이동 통신시스템에서 사용할 때, 셀 경계 사용자에게 높은 신호 대 간섭 환경을 제공해 줄 수 있는 효율적인 자원 할당 기법에 대해 살펴보았다. 일반적으로 셀 경계 사용자는 타 셀에서 간섭을 많이 받으므로 신호 대 간섭 비율이 매우 낮은 문제점이 있다. 제시된 알고리즘은 주파수 재사용율을 1로 유지하면서도 이러한 문제점을 해결할 수 있고, 시뮬레이션을 통해 그 성능을 확인하였다. 셋째, 매체 접근 제어 계층에서 성능을 향상시킬 수 있는 방안으로써, 기 제시된 부호화 기법을 센서 네트워크에서 적용하고자 할 때 발생하는 전역 동기화 문제를 해결하였다. 전역 동기화가 이루어지지 않으면 센서 네트워크가 여러 개의 가상 클러스터로 분리되어 노드 간에 통신이 원활히 이루어지지 않게 되고 제시한 부호화 기법도 사용할 수 없게 된다. 이러한 문제를 일으키는 원인인 경계 노드들을 제거하는 스케줄 통합 알고리즘을 제안하였다. 제시된 알고리즘이 통합 차수가 전체 노드의 제곱근에 비례하는 낮은 복잡도를 보인다는 것과, 수율 감소가 거의 없다는 것을 증명하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 전체 스케줄이 성공적으로 통합되어 전역 동기화 문제를 해결할 수 있고, 결과적으로 제시된 시공간 부호화 기법 또한 성공적으로 적용될 수 있음을 보였다.
이상의 연구를 통해, 차세대 네트워크에서 이동 단말이 이동 통신 서비스 및 센서 네트워크에서의 서비스를 받을 때 단말의 성능이 크게 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.
