Wireless relaying technique has been attracted considerable attention as a key technique for improving cell coverage and throughput. Although the wireless relaying technique has many benefits, but there are many problems to solve to use it successfully. One of the biggest problems of the wireless relaying technique is a degradation of system reliability, since the data is transmitted through many wireless links. Therefore, a retransmissions based on an Automatic Repeat reQuest (ARQ) technique will be needed to manage a transmission failure of any link that connects the source node and the destination node. In this thesis, we focus on the performance analysis of various ARQ mechanisms in cellular based relaying systems.
First, we analyze the performance of ARQ mechanisms proposed for wireless relaying systems using a discrete-time Markov chain (DTMC) technique. The proposed analytical model considers channel capacity, packet error rate, poisson packet arrival and etc. under a two-hop chain topology. We validate the proposed model by comparing numerical analysis with simulation results. Also, to consider a practical relaying system, we assume a multi-hop system based on the IEEE 802.16j standard and propose an ARQ mechanism achieving the requirements of the IEEE 802.16j standard. In the proposed ARQ mechanism, different ARQ mechanisms are used for uplink and downlink. Also, we propose a rate control algorithm to make up weak points of the proposed ARQ mechanism. By comparing simulation results and numerical analysis, we prove that the proposed ARQ mechanism and the rate control algorithm are very efficient in the multi-hop system based on the IEEE 802.16j standard.
Second, we analyze the performance of a cooperative automatic repeat request (C-ARQ) mechanism. The proposed analytical model considers erroneous and non-instantaneous feedback, retransmission timer of the ARQ mechanism, and adaptive modulation and coding (AMC). Using the proposed analytical model as a basis, we analyze the performance of the C-ARQ mechanism with respect to transmission efficiency, delay, and amount of used resources for ARQ packet transmission. Numerical results show the performance enhancement of wireless relaying systems by the usage of the C-ARQ mechanism.
Third, we analyze the performance of a cognition based ARQ mechanism. In addition, we propose a priority-based resource allocation scheme to prevent the performance degradation caused by the usage of unstable resources acquired by the CR technique. We analyze the performance of the cognition based ARQ mechanism with respect to transmission efficiency, throughput, and delay. The performance of the cognition based ARQ mechanism and the proposed resource allocation scheme are verified by comparing numerical analysis with simulation results.
셀룰러 기반 무선 릴레이 시스템에서는 데이터가 복수개의 무선 링크를 거쳐 전송되기 때문에 QoS와 신뢰성을 보장하기 위한 노력이 매우 중요하다. 기존 싱글홉 시스템에서 신뢰성을 보장하기 위해 사용되는 ARQ 메카니즘은 멀티홉 릴레이 시스템에 그대로 사용될 경우 비효율적인 재전송 및 지연 문제 등이 발생하게 된다. 본 논문에서는 셀룰라 기반 무선 릴레이 시스템에 적합한 여러 ARQ 메카니즘에 대해 살펴보고 각각의 성능을 비교 분석한다.
첫째, 기존에 릴레이 시스템을 위해 제안된 여러 ARQ 메카니즘을 에러 복구 방법에 따라 end-to-end, hop-by-hop, combined ARQ 메카니즘으로 분류하고 이에 대한 성능을 비교 분석한다. End-to-end ARQ 메카니즘은 데이터 전송이 이루어지는 여러 개의 무선 링크 끝 단끼리 하나의 에러 복구 프로토콜을 이용하는 방법으로 가장 간단하나 비효율적인 재전송과 지연 문제가 발생하게 된다. Hop-by-hop ARQ 메카니즘은 무선 링크 각각에 독립적인 에러 복구 프로토콜을 사용하는 방법으로 각각의 링크에서 에러가 복구되므로 효율적이나 플로우 조절이 쉽지 않은 단점이 있다. Combined ARQ 메카니즘은 end-to-end ARQ 메카니즘과 hop-by-hop ARQ 메카니즘의 장점만은 취한 ARQ 메카니즘으로 릴레이 노드의 추가적인 시그날링을 톨해 비효율적인 전송을 막고 플로우 조절이 쉬운 장점이 있으나 시스템 복잡성이 증가한다는 단점이 있다.
둘째, end-to-end, hop-by-hop, combined ARQ 메카니즘의 성능 분석 결과를 바탕으로 IEEE 802.16j 시스템에 적합한 ARQ 메카니즘을 제안하고 성능을 분석한다. IEEE 802.16j 표준은 릴레이 노드의 도입을 통하여 단말의 호환성을 보장하면서 IEEE 802.16 시스템 성능을 향상시키는데 목적이 있다. 시스템 요구사항을 만족시키면서 효율적인 동작을 위해 하향 링크에서는 combined ARQ 메카니즘을 사용하고 상향 링크에서는 hop-by-hop ARQ 메카니즘을 사용하는 방안을 제안한다. 그리고 hop-by-hop ARQ 메카니즘의 성능을 보완하기 위한 전송률 조절 알고리즘을 제안한다.
셋째, 릴레이 시스템에서 공간 다이버시티 효과를 얻을 수 있는 협력 전송을 고려한 ARQ 메카니즘을 연구한다. 협력 전송이 이루어지게 되면 재전송 시 데이터 전송 성공률이 향상되므로 주파수 효율의 상승 효과를 기대할 수 있다. 적응적 변조 및 코딩 기술과 재전송 타이머, 패킷 왕복 시간 등을 고려하여 협력 전송 기반 ARQ 메카니즘의 성능을 분석한다.
넷째, 주파수 자원의 미사용 문제를 해결하기 위해 제안된 인지 통신 기술을 고려한 ARQ 메카니즘을 연구한다. 인지 통신 기술이 사용될 경우 불안정한 자원의 활용으로 전체 데이터 플로우에 대한 전송 효율이 감소할 수 있다. 이를 해결할 수 있는 자원 할당 방안을 제안하고 인지 통신 기술이 사용되는 환경에서 ARQ 메카니즘과 함께 동작할 경우의 성능을 분석한다.