As a wireless multimedia service requires the high spectral efficiency for guaranteeing its quality of service, the femto cell which has a small cell coverage is proposed as a promising system to achieve high data rate in future wireless communication network. However, the dynamic deployment of the femto cell makes communication system be more interference limited environment. Thus, inter-cell interference is the problem that we should solve to increase the spectral efficiency. Traditional papers focus on mainly sum capacity maximization by mitigating the inter-cell interference. However, the power allocation for the maximization of the sum capacity can cause an inter-cell unfairness problem due to the difference of traffic load in each cell.
In this thesis, we focus on the guarantee of inter-cell fairness with minimizing the degradation of sum capacity. To solve this problem, we formulate an optimization problem to maximize the logarithmic sum capacity subject to a total power constraint per a base station. This optimization problem considers the mitigation of the inter-cell interference and the guarantee of the inter-cell fairness at the same time in interference limited multicell multiuser OFDM network. Based on analytic results, we propose an enhanced modified iterative water-filling algorithm which improves the inter-cell fairness compared to a modified iterative water-filling algorithm. Also, to apply the enhanced modified iterative water-filling algorithm in the communication environment where the fairness is the most important rather than the sum capacity, we propose an enhanced modified iterative water-filling algorithm with fairness enhancement. We verify the effectiveness of the proposed algorithms with respect to the fairness improvement and the little degradation in the sum capacity by intensive simulations. That is, our proposed algorithms provide efficient methods to solve the inter-cell unfairness problem in the interference limited communication environment.
최근 무선 멀티미디어 서비스의 고용량화 및 다양화로 인해, 셀 용량 개선을 위한 주파수 자원을 효율적으로 사용하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 기존의 셀룰라 시스템은 서비스 범위가 너무 넓어 셀의 가장자리에 있는 사용자는 신호의 감쇠 및 주변 셀들의 간섭으로 인해 안정적인 서비스를 받기가 힘들었다. 이러한 문제를 셀 간 간섭 문제라 한다. 주파수 자원의 효율적인 사용을 위한 방법 중 하나가 펨토셀의 설치이다. 펨토셀은 서비스 범위가 수 십 미터 내외로 그 범위가 좁기 때문에 신호의 감쇠가 적어 셀 가장자리 사용자에게도 안정적인 서비스 지원이 가능하다. 또한, 서비스 범위의 축소로 인해 공간 재사용 및 주파수 재사용이 용이하다. 하지만 다수의 펨토셀들이 가까운 거리에 무작위로 설치 되면 서로에게 심각한 간섭을 미칠 수 있으므로 셀 간 간섭 문제가 발생한다. 즉, 셀 용량 개선을 위해서 셀 간 간섭 문제는 꼭 풀어야 할 문제이다. 기존의 연구는 주로 셀 간 간섭을 줄여 셀 용량을 개선하는 방법에 대한 연구에 주목하고 있다. 하지만 셀이 요구하는 트래픽 부하량의 차이 및 셀의 분포에 따라 셀 간에 용량 차이가 심해지는 불공정성 문제가 발생할 수 있다.
본 논문은 셀 용량 개선 문제와 동시에 셀 간의 용량 불공정성 문제를 함께 고려하여 이를 해결하고자 한다. 본 논문은 다중 셀과 다중 사용자가 존재하는 OFDM 네트워크 환경의 특성을 고려하여 이를 비선형계획법을 이용하여 모델링 하였다. 수학적 분석법인 최적화 기법을 이용하여 이를 분석한 후, 분석 결과를 활용하여 셀 간의 용량 불공정성 문제를 개선하는 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 기존의 알고리즘과는 다르게, 각각의 셀이 다른 셀에 미치는 간섭을 고려할 때 셀 간의 트래픽 부하량의 비율을 반영하여 주파수당 전력을 할당한다. 이러한 방법을 통해 각 셀들은 트래픽 부하가 큰 셀의 용량을 높여주는 방향으로 주파수당 전력을 할당하게 되어 셀 간의 용량 불공정성 문제를 해결해 줄 수 있다. 제안 알고리즘의 성능을 시스템 레벨 시뮬레이션을 통해 검증 하였다. 제안 알고리즘은 기존 알고리즘에 비해 셀 용량의 감소는 5% 미만으로 미미한데 반해 사용자의 서비스 공정성은 30%에서 50%까지 향상 시킬 수 있었다. 이는 제안 알고리즘이 간섭이 심한 통신 환경에서 셀 용량 감소는 최소화하면서 사용자의 서비스 공정성을 어느 정도 보장한다고 할 수 있다.
