Relay transmission strategy in cellular wireless communications systems were originally proposed to cover dead spots, e.g., subways, tunnels or in-building areas, where a base station (BS) cannot appropriately support mobile users. Recent studies have shown that a cellular system adopting relay transmission strategy has other potential advantages such as increased system capacity and performance improvement if relay stations (RSs) cooperate for transmission. Without cooperation between RSs, however, these advantages are limited due to intra-cell and inter-cell interference. Dedicated allocation of frequency band to RSs can circumvent the interference problem, but it sacrifices spectral efficiency.
In most radio systems, users rarely utilize all the assigned frequency bands at a certain time and a location. Such a frequency band not occupied by a primary user (PU) is called a $\It{spectrum hole}$. The spectral inefficiency caused by the spectrum holes motivated $\It{cognitive radio}$ (CR) technology that present unlicensed secondary users (SUs) an opportunity for using spectrum holes. CR makes an SU to and use the spectrum hole without interrupting the operation of PU.
The fact that CR technique brings more efficient spectrum utilization motivates its adoption to cellular relay networks. The advantage is interference reduction between RSs and BS by allocating orthogonal frequency bands to RSs from BSs for downlink. Even though the same advantage can be achieved by using a dedicated channel which is orthogonal to cellular band, it is much more efficient to use orthogonal bands by opportunistic spectrum access in terms of spectral efficiency.
In this thesis, we propose two operating scenarios of employing cognitive radio to downlink of relay networks. The first scenario uses ISM band while the second scenario exploits opportunity of channel use at UHF spectrum. The capacity gain over conventional relay is investigated in terms of system capacity, which is uniquely defined in this thesis. We first statistically model the spectrum usage pattern in those bands and derive the achievable data rate and outage probability in order to analyze performance gain in the view of practical system establishment. Then, we define system capacity by normalizing the effect of bandwidth so that a fair comparison of performance is accomplished. Through our analysis and simulations, it is shown that the proposed scenarios are able to achieve significant gains over a conventional cellular relay system in terms of system capacity. As a result, relay combined with cognitive radio can be considered as a viable solution to get higher downlink capacity.
미래의 무선 통신 시스템은 사용자가 언제 어디서든 원하는 종류의 어플리케이션을 사용할 수 있도록 하는 유비쿼터스 환경을 목표로 발전하고 있다. 이러한 환경에 적합한 통신 시스템은 단말이 이동하면서 경험하는 어떠한 형태의 망이라도 즉시 주변 환경에 적응하여 서비스를 받을 수 있도록 해야 한다. 이러한 맥락에서 무선 통신 기기가 주변 환경에 따라 적응하도록 포로토콜을 변화시킬 수 있도록 하는 소프트웨어 무선 (SDR: software defined radio) 기술이 주목을 받고 있다. 이와 더불어 여러 종류의 망이 혼재하게 되면서 주파수 자원의 고갈 문제 역시 대두되고 있다. 이러한 문제에 대한 해결책으로서 최근 주목을 받고 있는 기술이 바로 인지 무선 (CR: cognitive radio) 기술이다. 인지 무선 네트워크들의 연구 개발이 진행되고 있다.
인지 무선 기술에 기반을 둔 중계 통신 방식은 인지 무선을 이용한 어플리케이션의 하나로 여겨지지만 이에 대한 구체적 연구는 미흡한 실정이다. 특히 인지 무선 기술을 중계 통신 시스템에 접목할 경우 기존 방식의 중계 통신 시스템이 가지고 있던 여러 가지 한계점들을 극복할 수 있다는 점에서 연구의 의미가 매우 크다고 할 수 있겠다. 구체적으로, 중계통신 기법은 여러 셀이 복잡하게 얽혀 있는 실제 무선 통신 환경 하에서 하향 링크 (downlink) 서비스 시 다음과 같은 한계를 지닌다. 첫째, 중계기 (RS: relay station)가 기지국 (BS: base station)과 같은 시스템 자원을 공유하여 서비스할 경우 두 기기 사이에 간섭이 발생하여 시스템 성능의 저하를 초래한다. 둘째, 이 문제의 해결을 위해 중계기에게 별도의 주파수 대역 자원을 고정적으로 할당할 경우 그 추가 대역에 대한 별도의 금전적인 비용이 발생하는 동시에 주파수 활용 상의 비효율이 초래된다.
이러한 문제에 대하여, 본 논문에서는 다중 셀 환경에서 인지 무선 기법의 도입을 통해 중계 통신 시스템이 가지는 한계점을 극복하는 방안을 제안한다. 기존 방식의 중계 통신 시스템에 인지 무선 기술을 접목함으로써 기대할 수 있는 효과는 다음과 같다. 첫째, 중계기가 인지 무선 기술을 이용해 다른 주파수 대역을 기회적으로 이용하도록 함으로써, 전체 시스템의 관점에서는 고정적으로 사용이 허가된 기존의 대역폭 이외의 대역 자원을 추가로 확보하는 효과를 달성하게 된다. 이와 같이 보다 많은 시스템 대역 자원을 하향 링크에 활용하므로써 전체 시스템의 처리율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 둘째, 중계기가 인지 무선 기술에 기반하여 다른 대역의 주파수 자원을 활용하게 되면, 해당 시스템의 기지국이 사용하는 하향 링크의 주파수 대역과는 별도의 대역에서 서비스하게 되므로 두 기기 간의 간섭을 완화하는 효과를 가져온다. 이로 인해서 다중 셀 환경에서 중계 통신 시스템의 주파수 효율과 처리율을 동시에 개선할 수 있게 된다.
본 논문에서는 이러한 효과의 달성을 위해 두 가지 시나리오를 제안한다. 첫번째 시나리오에서는 중계기가 ISM 대역을 이용하여 다운 링크를 구축하며, 두 번째 시나리오에서는 UHF 방송 주파수 대역을 탐색하여 빈 채널을 찾아내어 다운 링크 서비스를 수행하게 된다. 이러한 인지 무선 기술에 기반한 중계 통신 시스템이 기존 중계 방식에 비해 가지는 성능의 우수성을 입증하기 위하여 본 논문에서는 사용자 당 처리율과 시스템 정지 확률 (outage probability), 시스템 용량의 세 가지 기준을 제시한다. 또한 상기의 세 성능 평가 기준의 정립을 위하여 1차 사용자의 트래픽 패턴과 채널 사용 방식을 우선적으로 정량화한다. 본 논문의 실험 결과는 이지 무선 기반의 셀룰라 중계 시스템이 기존 방식의 중계 통신 방식에 비하여 위의 세 가지 관점에서 모두 우수한 성능을 나타냄을 보여준다.
