In this dissertation, we investigate how to maximize link throughput for high data rate wireless communication systems such as a single-hop cellular network and a multi-hop relay network, while taking into account HARQ operation. First, for high-speed downlink packet access (HSDPA), one of major releases for third-generation (3G) single-hop cellular networks, we present a systematic approach to designing the mapping between a given channel quality and modulation and coding scheme (MCS) level. We have views on that the QoS for best-effort services is improved by maximizing link throughput and for this, the MCS level which maximizes the expected throughput is selected in the proposed scheme. We consider both the Chase combining (CC) and incremental redundancy (IR) based hybrid automatic repeat request (HARQ) mechanisms and for each mechanism, the expected throughput is obtained by considering both the number of transmissions and successful decoding probability in HARQ operation. We prove with a mathematical induction method that the conventional MCS selection scheme is not optimized with respect to estimating the expected throughput. Through link- and system-level simulations, we show that the proposed MCS selection scheme yields higher average cell throughput than the conventional schemes for slowly varying channels.
Second, extending the study mentioned above, we propose an analytical method to obtain the MCS level to maximize link throughput for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based cellular systems. The OFDM is known for high performance in frequency selective channels so that, if an interleaving technique spreading out coded bits in frequency band is adopted in OFDM-based systems, the technique makes each coded bits experience a different fading in frequency selective fading channels, which directly achieves frequency diversity gain. We illustrate the signal-to-noise-ratio (SNR) gain obtained by both the HARQ operations with and without interleaving technique in OFDM-based systems. And based on the CC-based HARQ mechanism and a channel interleaver, we propose an MCS selection scheme which maximizes the expected throughput. This throughput is obtained by considering both a time diversity gain from HARQ operation and a frequency diversity gain from interleaving technique. Through link-level simulations performed over an HSDPA-OFDM system, we show the improvement of frame error rate performance for given MCS levels by both the HARQ and interleaving techniques. Moreover, system-level simulation results show that the proposed MCS selection scheme yields higher average cell throughput than the conventional schemes for slowly varying channels.
Finally, we investigate an optimization problem that addresses how to maximize link throughput for multi-hop relay networks. We adopt a linear $K$-hop network which employs an HARQ mechanism and in the network, a packet is routed from a source node to a destination node without spatial reuse for a given maximum delay. We focus on improving the QoS for best-effort services and for this, we design the mapping between given channel qualities of all relay links and a transmission rate, based on maximizing the expected throughput. We propose a novel expected throughput estimation method while taking into account the operation principle of HARQ and given constrained delay in a block Rayleigh fading channel. The proposed method obtains the end-to-end expected throughput by considering the number of transmissions and successful decoding probabilities over the $K$ hops at each transmission. We prove using $\emph{Jensen`s inequality}$ that the throughput obtained from our method is higher than or equal to that obtained from the conventional method for any outage probability. To numerically analyze the performance of our method and multi-hop relaying scheme, we consider three types of HARQ mechanisms of simple HARQ, CC, and IR, and we derive the outage probability for each HARQ mechanism. Through a numerical analysis, we confirm our proof and we show with the IR-based HARQ mechanism that the conventional method does not exactly estimate the end-to-end expected throughput in the block Rayleigh fading channel. Moreover, we conclude that the multi-hop relaying scheme outperforms the single-hop scheme in the low SNR regime from throughput perspective. And we also conclude that a communication approach which exploits both the multi-hop relaying scheme and HARQ operation is the optimal choice for maximizing the link throughput in a broad SNR region.
우리는 고속 무선 통신 시스템에서 링크 수율 (throughput) 성능을 최대로 얻는 변조 및 코딩 기법 (MCS) 선택에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 3G 무선 통신 시스템인 HSDPA에서 우리는 채널 품질과 HARQ 기술을 함께 고려하여 최대 링크 수율을 얻는 MCS 선택 기법을 제안하였다. 이 시스템에서 우리는 CC 및 IR 기반 HARQ 메커니즘을 고려하였고 각 메커니즘에 대해 기대 수율을 최대로 얻는 MCS 선택 기법을 제안하였다. 이 기대 수율은 HARQ 운용 원리에 기반하여 최대 재전송 횟수만큼 전송이 수행될 때, 매 전송마다 얻게 되는 수율을 더함으로써 얻어진다. 이 때 매 전송마다 얻어지는 수율은 이번 전송에 사용된 데이터 전송 율과 이번 전송에서 패킷이 성공적으로 디코딩 될 확률을 곱함으로써 얻게 된다. 우리는 기존에 제안된 MCS 선택 기법이 잘못된 기대 수율을 사용한다는 것을 연역적 추론 기법을 사용하여 증명하였는데, 이 증명은 우리가 제안한 기법에서의 기대 수율 값이 기존에 제안된 기법에서 사용한 기대 수율 값보다 항상 크거나 같다는 것을 보여준다. 우리는 링크레벨 및 시스템레벨 시뮬레이션을 수행하여 우리가 제안한 MCS 선택 기법과 기존에 제안된 기법들의 성능을 비교하고 분석하였다. 먼저, 3GPP TR 25.892 문서에 제안된 HSDPA-OFDM 시스템의 물리 계층을 구현한 링크레벨 시뮬레이션을 통하여 ITU Ped-A 3 km/h 채널 등 다양한 채널 상황에서 SINR 변화에 따른 6가지 MCS 레벨들의 FER 변화 값을 얻었다. 이를 이용해 CC 및 IR 기반 HARQ 메커니즘에 대하여 SINR 변화에 따른 각 MCS 선택 기법의 수율 성능 결과를 얻었는데, 우리가 제안한 기법이 IR을 채택한 경우 가장 높은 수율을 보였다. 마지막으로 평균 셀 수율 측면에서 각 MCS 선택 기법의 성능을 분석하기 위해, AWGN, ITU Ped-A 3 km/h 및 Ped-B 3 km/h 채널을 고려한 시스템레벨 시뮬레이션을 수행하였다. CC 기반 HARQ 메커니즘을 채택한 경우, 우리가 제안한 기법과 기존에 제안된 기법이 거의 유사한 성능을 보인 반면, IR 기반 HARQ 메커니즘을 채택한 경우, 우리가 제안한 기법이 기존에 제안된 기법보다 더 높은 평균 셀 수율 성능을 보인다는 결론을 얻었다.
앞서 언급한 연구를 확장하여 B3G 또는 4G 무선 통신 시스템의 물리 계층 기술로 각광 받는 OFDM 기술을 사용하는 시스템에서 링크 수율 성능을 최대로 얻는 MCS 선택 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 앞서 언급한 연구에서와 마찬가지로, 기대 수율을 최대로 얻는 MCS 레벨을 선택하는데, 이때 기대 수율은 채널 품질과 HARQ, 그리고 매 재전송마다 HARQ과 함께 수행되는 인터리빙 (interleaving) 기술을 고려하여 얻어진다. 우리는 앞서 언급한 연구에서 구현한 HSDPA-OFDM 시스템의 물리 계층에 매 재전송마다 HARQ와 함께 수행되는 채널 인터리버 (channel interleaver)를 추가로 구현하였다. 이 수정된 시스템에서의 링크레벨 시뮬레이션을 통하여 우리는 인터리빙과 함께 수행된 HARQ가 매 재전송마다 각 MCS 레벨의 FER 성능을 크게 향상시킨다는 결론을 얻었다. 또한 우리는 평균 셀 수율 성능을 알아보기 위한 시스템레벨 시뮬레이션을 수행하여 우리가 제안한 MCS 선택 기법이 기존 기법들보다 천천히 변화하는 채널에서 더 높은 성능을 보인다는 결론을 얻었다.
또한, 우리는 HSDPA와 같은 기존의 단일 홉 셀룰러 네트워크에 릴레이들이 배치되어 형성된 다중 홉 릴레이 네트워크를 고려하였고, 이 네트워크에서 우리는 링크 수율 성능을 최대로 얻기 위한 방안을 연구하였다. 우리는 네트워크 모델로 선형 $K$ 홉 릴레이 네트워크를 채택하였고, 이 네트워크에서 제안된 기법은 기대 수율을 최대로 얻는 MCS 레벨을 선택한다. 우리는 앞서 언급한 연구에서 제안한 단일 홉 네트워크에서의 기대 수율인 CDT를 선형 $K$ 홉 네트워크에 적합하도록 변형하였다. 변형된 CDT는 $K$ 홉에 걸쳐서 발생하는 매 전송마다 얻는 수율을 더함으로써 얻어지는데, 이 수율은 단일 홉 네트워크에서와 마찬가지로, 이번 전송에 사용된 데이터 전송 율과 이번 전송에서 $K$ 홉을 거쳐 받은 패킷이 성공적으로 디코딩 될 확률을 곱함으로써 얻게 된다. 우리는 간단한 수학 도구인 $\emph{Jensen`s inequality}$를 이용하여 어떤 전송 율과 최대 재전송 횟수가 주어져 있을 때, 우리가 제안한 CDT가 기존에 제안된 단일 홉 및 다중 홉 릴레이 네트워크에서의 RTT보다 어떤 에러 확률에 대해서도 높거나 같다는 것을 증명하였다. 우리는 CDT와 RTT의 성능을 분석하기 위해 세 가지 종류의 HARQ 메커니즘을 채택하였고, 기존 연구에서 제안된 정보 이론적 가정에 기반하여 각 HARQ 메커니즘 채택 시 얻게 되는 수율 성능을 수학적으로 분석하였다. 이 분석을 통하여 우리는 앞서 언급한 증명에서와 같이, 우리가 제안한 CDT가 어떤 HARQ 메커니즘에 대해서도 RTT보다 높거나 같은 성능을 보인다는 결론을 얻었다. 또한, IR 기반 HARQ 메커니즘의 이론적 상한 (upper bound)을 고려했을 때 얻는 RTT가 몬테카를로 (Monte-Carlo) 시뮬레이션을 통하여 얻는 IR 기반 평균 수율보다 낮은 성능을 보인다는 결론을 얻었다. 이를 통하여 우리는 고정된 채널 상태를 가정하여 얻게 되는 RTT가 슬롯단위로 변화하는 채널 상태에서는 잘못된 기대 수율 값을 예측한다는 것을 명백히 확인할 수 있었다. 그리고, 이 수율 성능 면에서의 분석을 통하여 우리는 다중 홉 릴레이 통신 방식이 낮은 SNR 체제에서 단일 홉 통신 방식보다 높은 성능을 보인다는 결론을 얻었고, 전 SNR 범위에서는 HARQ 운용과 다중 홉 릴레이 통신 방식을 함께 이용하는 것이 최대 링크 수율 성능을 얻는 최적의 통신 방법이라는 결론을 얻었다.
