Mobile communication system has been evolving in order to achieve improvement in 3C; $\It{Capacity}$, $\It{Coverage}$, and $\It{Cost }$. In this circumstance, many recent researches focus on integrating femtocell concept into mobile communication system, because a femtocell system can surely bring significant improvement on 3C. Femto BSs can be cheaply manufactured like WiFi Access Points (APs) and keep connectivity to a core network with no deployment cost. In addition, the femto BSs generally serve the users who are very close to them and path loss of transmitters` signal in the femtocell system is much smaller compared to that in the mobile communication system, which implies that link capacity is likely to be very higher in case of the femtocell system.
However, there are many issues which should be solved in order to utilize femtocell system in mobile communication system. Especially, it is important to solve an issue of capacity improvement, on which we mainly focus in this thesis. In order to improve system capacity, we firstly propose a simple resource allocation scheme when femto cells are in a macro cell and are sufficiently far each other so that interference effect from femto cells can be ignored. We compare a single codeword transmission scheme with a multiple codeword transmission scheme and figure out that the single codeword transmission scheme is suitable for the femtocell system. And then, we propose a heuristic scheme for allocating resources when single codeword transmission is performed in multi-user environment. Throughout the derivation, we use a new concept called $\It{mutual information}$, which makes it easy to analyze packet error rate(PER).
Secondly, we derive Media Access Control(MAC) overhead due to transmission of scheduling information which causes to degrade system performance. MAC overhead due to transmission of scheduling information is inverse-proportional to size of a traffic packet and data rate of scheduling information transmissions. According to this fact, we propose a novel scheduling information transmission scheme which transmits scheduling information messages piggybacked on data packets so that data rate of scheduling transmissions increases. This can effectively reduce amount of radio resource used for transmitting scheduling information.
Thirdly, we study signal environment in $\It{dense femtocell system}$, in which a number of femto BSs are deployed in a small region and propose a novel resource allocation scheme which is suitable in dense femtocell system. We firstly derive characteristics of an optimal solution for jointly allocating power and subcarrier in dense environment. It is proved that a special form of power allocation called $\It{binary power allocation}$, in which only one transmitter transmits signal for each subchannel, can achieve better performance compared to conventional power allocation schemes. Then, we propose an efficient scheme for joint power and subcarrier allocation based on the derived characteristics.
Fourthly, we propose a practical transmission scheme which utilize interference alignment concept and a novel resource allocation scheme based on the proposed transmission scheme. Since performance of pure OFDMA systems cannot approach to the optimal in dense environment, we introduce interference alignment concept which is an advanced transmission scheme. We firstly observe the performance of interference alignment scheme in practical environment and design a novel interference-aligning scheme based on the observation. Then, we propose a resource allocation scheme which operates on the designed transmission scheme.
이동 통신 시스템 발전은 항상 3C ($\It{Capacity}$, $\It{Coverage}$, $\It{Cost }$)를 개선하는 방향으로 이루어져 왔다. 이런 흐름 속에서, 현재 수많은 연구들이 펨토셀 시스템을 이동 통신 시스템에 결합을 시키는 데에 초점을 맞추고 있다. 이는, 펨토셀 시스템이 3C를 개선하는데 큰 공헌을 할 수 있는 가능성이 충분히 있기 때문이다. 펨토 기지국들이 WiFi의 엑세스 포인트처럼 싼 값에 만들어지도록 설계가 되고 있으며 별도의 추가적인 망 관련 장비의 설치 없이 백본망과의 연결성을 유지할 수 있다. 뿐만 아니라, 펨토셀 시스템에서는 펨토 기지국들이 보통 서비스를 하는 사용자들과의 거리가 가깝기 때문에 전송 신호의 path loss가 일반 이동 통신 시스템에 비해 작으며, 이는 곧 시스템 용량이 상당히 커질 여지가 있음을 나타낸다.
하지만 펨토셀 시스템을 이동 통신 시스템에 적용하기 위해서 해결되어야 할 문제들이 있다. 특히, 시스템의 용량 개선 문제는 상당히 중요한 문제이며, 본 학위 논문에서 주로 다룰 내용이기도 하다. 시스템 용량을 개선하기 위해서, 우선 펨토셀이 한 매크로셀 내에 존재하면서 다른 펨토셀과 어느정도 거리가 있는 환경에서 적용 가능한 간단한 자원 할당 방안을 제안하였다. 우선 single codeword 전송 기법과 multiple codeword 전송 기법을 비교하여 펨토셀 시스템에서는 single codeword 전송 기법이 복잡도 측면에서 더 적합한 기법임을 증명한다. 그리고 이 사실을 기반으로, single codeword를 사용하면서 다수의 사용자가 존재할 때 자원을 최적으로 할당하는 방안을 제안한다. 여기서 우리는 $\It{mutual information}$을 활용한 새로운 Packet Error Rate(PER) 분석 방법을 도입하여 효과적으로 single codeword의 성능을 분석하고 자원 할당 방안의 criterion을 제안하였다.
둘째로, 시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수 있는 Media Access Control(MAC) 오버헤드 문제를 펨토셀 시스템 환경에서 다루었다. 스케줄링 정보를 전송하는데 소요되는 MAC 오버헤드를 수학적으로 분석하여, MAC overhead가 트래픽의 패킷 크기에 반비례하고, 또한 스케줄링 정보를 전송할 때의 전송률에 반비례함을 증명하였다. 이를 바탕으로, 스케줄링 정보를 데이터 패킷에 실어서 전송함으로써 스케줄링 정보 전송의 전송률을 효과적으로 높이는 새로운 방안을 제안하였다. 제안 방안을 통해서 스케줄링 정보 전송에 쓰이는 무선 자원을 효과적으로 줄임으로써, system throughput 이 개선되는 것을 성능 분석을 통해 증명하였다.
셋째로, 밀집된 펨토셀 시스템의 신호 환경에 대해 연구하고, 이 환경에 적합한 무선 자원 관리 기법을 제안하였다. 사용자들이 펨토 기지국을 자유롭게 설치하다보면, 좁은 지역에 펨토 기지국이 많이 설치되는 경우가 발생할 수 있으며, 이때는 전송 신호가 모든 수신 node들에게 센 간섭을 미치게 되는 interference-limited system 환경이 된다. 우선 밀집 환경에서 전력과 부채널의 최적 할당을 수학적으로 분석하고 그 특성을 파악하였다. 그 결과, 전력은 한 부채널에 하나의 기지국만 전송하는 $\It{binary power allocation}$(BPA)와 같은 형태의 전송 방식이 기존 방식에 비해 더 낫다는 결론을 얻었다. 그리고 이를 바탕으로, 전력과 부채널을 할당하는 알고리즘을 제안하였고, 그 성능이 기존의 기법들보다 특정 조건의 밀집 환경에서 더 성능이 좋은 것을 확인할 수 있었다.
넷째로, Interference Alignment 개념을 활용한 실제 시스템에 적용 가능한 전송 기법을 제안하였고, 이를 바탕으로 한 무선 자원 관리 방안을 제안하였다. 순수한 OFDMA 시스템이 직교하게 무선 자원을 사용하는 특성이 정보 이론 측면에서 바람직하지 않은 것에 착안하여, 밀집 환경에서 interference alignment와 같은 진보된 다중 접속 방식을 통해 성능 향상을 도모하였다. 우선 interference alignment 기법을 시스템 관점에서 성능 분석을 수행하였고, 이를 통해 signal space가 3 이어야 밀집 환경에서 성능 이득을 얻을 수 있다는 결론을 얻는다. 이를 토대로 부채널을 3개씩 묶어서 interference alignment를 수행하는 전송 기법을 제안하고, 이런 무선 자원 구조 하에서 적절한 사용자 그룹을 찾아서 자원을 할당해주는 방안을 제안하였다.
