As the number of subscribers has increased rapidly in the recent years, situations in which mobile stations (MS) use wireless communication devices while moving together on a bus or a train are now commonplace. They can use various emerging applications such as voice over Internet protocol (VoIP), video on demand (VoD), and online games which require high data rate and low latency while moving fast by high-speed bus or train. Therefore, to satisfy the quality of service (QoS) for these MSs, performance degradation due to the handover should be minimized. In this dissertation, we investigate the mobility management for group mobile users in single-hop and multi-hop cellular networks.
First, we propose a handover decision algorithm for single-hop cellular networks to improve the handover performance. Previous works are based on the signal strength, location, velocity, and moving direction to make handover decision. However, an instance of MSs moving together has not been considered although in actuality there are many such cases, e.g., passengers traveling on a bus or a train, in which the locations of MSs are statistically correlated. We exploit the mobility correlation for handover decision in order to improve the handover performance. We propose a grouping algorithm based on the mobility correlation, which does not require the exact locations of MSs. The proposed grouping algorithm consists of two steps. In Step 1, groups are formulated based on the history of the serving base stations (BS) of each MS. Then, to formulate groups more accurately, the history of signal-to-interference-and-noise-ratio (SINR) from the serving BS and adjacent BSs is used in Step 2. For each step, we present a simple greedy algorithm for grouping. Moreover, an adaptive hysteresis algorithm is proposed. It adjusts the hysteresis value by predicting the target BS with the help of the formulated groups. MSs can perform handovers fast by applying the reduced hysteresis value to the target BS, and avoid unnecessary handovers effectively by applying the increased hysteresis value to the other BSs. Simulation results show that the proposed algorithm achieves up to 23% improvement in terms of the number of handovers. In addition, the handover initiation delay is reduced by 7-15% compared to the conventional scheme.
Second, we propose a preamble allocation scheme to avoid unnecessary handovers in multi-hop cellular networks. In multi-hop cellular networks, mobile relay stations (MRS) have been introduced for MSs moving together on a bus or a train in order to provide high capacity and coverage, and to improve the handover performance. Handover decision algorithms previously proposed for single-hop cellular networks can be applied with slight modification to multi-hop cellular networks. However, unnecessary handovers can occur regardless of handover decision algorithms due to the mobility of MRSs. When two or more MRSs using the same preamble encounter each other, which is referred to as the preamble collision, these MRSs should change their preambles. If an MRS changes its preamble, the MSs served by this MRS should perform handovers because MSs identify MRSs with their preambles. The preamble collision leads to high control message overhead and degradation of QoS due to temporal disconnection. Therefore, preambles for MRSs should be allocated carefully not to cause preamble collisions. To this end, we propose a preamble allocation scheme using the trajectory of MRSs. We calculate the probability of the preamble collision for each preamble. Then, we select a preamble considering not only the probability of the preamble collision but also interference from other MRSs. Simulation results show that the proposed scheme significantly reduces the number of preamble collisions. The reduction of the number of preamble collisions leads to decrease in the number of unnecessary handovers, and thus performance degradation due to the handover is mitigated.
최근 무선 통신 가입자 수가 크게 증가함에 따라, 버스나 기차를 타고 많은 사람들과 함께 이동하면서 단말을 이용하는 것이 일반적인 상황이 되었다. 사용자는 버스나 기차를 타고 빠르게 이동하면서, 인터넷 전화(Voice over IP), 주문형 영상 서비스(Video on Demand), 온라인 게임과 같이 높은 전송속도와 낮은 지연속도를 요구하는 서비스를 사용할 수 있다. 그러므로, 이러한 사용자의 서비스 품질을 만족시키기 위해서는 핸드오버로 인한 성능저하가 최소화되어야 한다. 본 논문에서는 단일 홉(Single-hop)과 다중 홉(Multi-hop) 셀룰러 네트워크에서 그룹 이동 사용자를 위한 이동성 지원방안에 대한 연구를 하였다.
첫째, 단일 홉 셀룰러 네트워크에서 핸드오버 성능향상을 위한 핸드오버 결정 방법에 대한 연구를 하였다. 기존 연구들은 핸드오버 결정에 신호세기, 단말의 위치, 속도, 이동 방향 등의 정보를 이용하였다. 단말이 버스나 기차를 타고 함께 이동하는 경우가 실제로 많이 일어나지만, 이를 고려한 방법은 제안되지 않았다. 본 논문에서는 핸드오버 성능을 향상시키기 위해, 함께 이동하는 단말의 이동 연관성을 활용한 핸드오버 결정방법을 제안하였다. 먼저 단말의 정확한 위치 정보 없이 이동 연관성에 따라 그룹을 형성하는 그룹핑 알고리즘을 제안하였다. 그룹핑 알고리즘은 두 단계로 구성되는데, 첫번째 단계에서는 단말이 거쳐온 서빙 기지국 정보에 따라 그룹을 형성하고, 좀 더 정확한 그룹화를 위해 두번째 단계에서는 서빙 기지국과 이웃 기지국으로부터의 신호 대 간섭 잡음비(Signal to Interference and Noise Ratio) 정보를 활용하여 그룹을 재형성한다. 각각의 단계에서 그룹을 형성하기 위한 간단한 그리디(Greedy) 알고리즘을 제안하였다. 또한, 이렇게 형성된 그룹 정보를 이용하여, 그룹이 이동하는 타겟 기지국을 예측하고, 예측된 타겟 기지국으로의 핸드오버는 히스테리시스(Hysteresis) 값을 작게 적용하여 핸드오버를 빠르게 수행하도록 하고, 그 외 기지국으로의 핸드오버는 히스테리시스 값을 크게 적용하여 불필요한 핸드오버를 방지하는 방법을 제안하였다. 모의 실험을 통하여, 제안 방법은 기존 방법에 비해 핸드오버 횟수를 최대 23% 감소시키며, 동시에 핸드오버 수행 시점도 7-15% 감소시킨다는 것을 보였다.
둘째, 다중 홉 셀룰러 네트워크에서 불필요한 핸드오버를 줄이기 위한 프리앰블(Preamble) 할당 방법을 제안하였다. 다중 홉 셀룰러 네트워크에는 그룹 이동 단말에게 높은 네트워크 용량 (Capacity)과 셀 범위(Coverage)를 제공하고, 핸드오버 성능을 향상시키기 위해 이동 중계기(Mobile relay station)가 도입되었다. 다중 홉 셀룰러 네트워크에서의 핸드오버는 단일 홉 셀룰러 네트워크에서 제안된 핸드오버 결정 방법들을 약간 수정하여 적용할 수 있다. 하지만, 다중 홉 셀룰러 네트워크에서는 이러한 핸드오버 결정 방법에 상관없이 이동 중계기의 이동성으로 인해 불필요한 핸드오버가 발생할 수 있다. 만약 같은 프리앰블을 전송하는 두 개 이상의 이동 중계기가 가까이 위치하게 되면 프리앰블 충돌이 발생하게 되고, 이를 해결하기 위해서는 이동 중계기가 프리앰블을 변경해야 한다. 단말은 프리앰블을 통해 이동 중계기를 구분하기 때문에, 프리앰블을 변경한 이동 중계기를 다른 이동 중계기로 인식하게 되어 핸드오버를 수행하게 된다. 이러한 불필요한 핸드오버로 인해 많은 제어정보 전송과 서비스 끊김 현상이 발생하므로, 프리앰블 충돌이 발생하지 않도록 프리앰블을 할당하는 것이 중요한다. 이를 위해, 본 논문에서는 이동 중계기의 이동 경로를 활용한 프리앰블 할당 방법을 제안하였다. 먼저 각 프리앰블에 대해 프리앰블 충돌 확률을 계산하고, 계산한 확률과 함께 프리앰블 간섭 신호세기를 함께 고려하여 프리앰블을 할당하도록 하였다. 모의 실험을 통해 제안 방안이 프리앰블 충돌 횟수를 크게 줄인다는 것을 확인하였다. 따라서 제안 방안을 통해 불필요한 핸드오버를 크게 줄임으로써, 핸드오버로 인한 성능 저하를 최소화할 수 있다.
