To achieve high capacity, next-generation wireless cellular networks not only adopt advanced physical layer techniques and broader bandwidth but also consider the reuse factor close to one with the dense deployment of base stations (BSs) that cover small cells. Even in such networks, users at cell edges users would suffer from low throughput due to unbalanced user distributions among cells and severe inter-cell interference (ICI). Moreover, the scenario becomes worse in the heterogeneous cell structures, e.g., coexistence of pico/femto cells inside macro cells, because the portion of users whose capacity is limited by ICI grows. Thus, in multi-cell networks, the coordination of BSs to effectively manage ICI and resolve load imbalance is essential.
In this thesis, various types of joint resource allocation problems for load balancing and interference management are considered in multi-cell networks. Basically, these are multi-dimensional problems in terms of the number of BSs/users, the degree of time/frequency/power and etc. To tackle such complex problems, we mathematically model the problems based on network utility maximization framework and propose optimal association, scheduling and power allocation algorithms. However, the potential gain from the joint multi-cell resources allocation also comes with several practical challenges such as large feedback overheads and high computations. To overcome these computational and signaling complexities, we also develop simple but efficient suboptimal algorithms. Rigorous analysis and extensive simulations demonstrate that our algorithms can not only closely approximate optimal algorithms but also practically implementable.
차세대 이동통신 시스템에서는 높은 셀 용량을 지원하기 위해 여러 가지 접근을 취하고 있다. 먼저 광대역은 물론 MIMO와 같은 고급 무선 기술을 도입하고 있으며, 주파수 재사용율은 1에 가깝게 가져가고 있다. 또한 기지국은 점점 더 촘촘하게 설치되고 있으며, 심지어 최근에는 특정 지역에서 높은 수율을 얻기 위해 피코나 펨토와 같은 작은 셀들이 매크로 셀 안에 설치되고 있는 추세이다. 이러한 접근 방식들은 전반적인 셀 용량은 높일 수 있지만, 여전히 셀 가장자리에 있는 사용자들은 심각한 셀간 간섭과 셀간 부하 불균형 때문에 전송률이 크게 제약 받는다. 따라서 사용자의 위치에 상관없이 높은 전송률과 서비스 품질을 보장하기 위해서는 효율적인 부하 분산 및 간섭 관리 기법은 필수적이라고 할 수 있다.
본 연구에서는 다중셀 네트워크에서의 부하 분산 및 간섭 관리를 위한 여러 가지 무선 자원 할당 문제들을 다루었다. 첫 번째 단계에서는 다중셀 네트워크를 분석하기 위한 네트워크 효용함수 최대화 모델을 개발하고, 이러한 모델을 기반으로 최적의 기지국 선택, 사용자 스케쥴링 및 전력 제어 방식을 제안하였다. 하지만 이러한 최적 방식은 기본적으로 많은 양의 정보 교환과 복잡한 계산을 필요로 하는 단점이 있다. 따라서 두 번째 단계에선, 제안 방식을 구현하는 데에 필요한 추가적인 기지국간 정보 교환과 계산 복잡도를 낮출 수 있는 방법을 제안하여 실제 시스템에 구현 가능성을 높이고자 하였다. 그리고 마지막 단계에선 광범위한 시뮬레이션을 통해 제안 방식의 성능 이득을 검증해 보았다.
