Higher data rates are required in wireless networks. Femtocell is one of the noticeable technology to guarantee high data rates in wireless network with efficient spatial reuse of spectrum. It aims to combine fixed line broadband access with cellular networks by deploying low cost, low power base stations covering the small business environments. Each femto AP should manage its transmission power by itself and consider interference to other femto APs because of the random deployments of the femto APs.
In this thesis, an efficient power control algorithm based on a game theory is proposed. Because of the unpredictable deployments of the femto APs which are in a macro cell area, interference to macro users and users in other femto APs in down-link (DL) cause the degradation of the service quality. Therefore, interference mitigation is necessary in femtocell networks and interference should be reflected to the power controlling algorithm. We describe the system model using a non-cooperative game model and formulate a payoff function to provide fairness and to reduce interference.
By proving that the proposed system model has a supermodularity, we implement a distributed power control algorithm based on the properties of the supermodular game. By applying best response dynamics to the power control algorithm, transmission power of femto APs will reach the nash equilibrium (NE). Through mathematical analysis and numerical results, we have found that our proposed scheme has similar performance compared to the conventional centralized power control algorithms with respect to the fairness index and average data rates. Furthermore, our proposed algorithm will not lead the divergence of the transmission power to the maximum. It will reduce much interference among the femto APs and to the macro users. Fair resource allocation is guaranteed and interference is mitigated when the proposed algorithm applied to the femtocell environments.
높은 데이터 전송 속도는 무선 네트워크에서의 꾸준한 요구조건이다. 이는 Femtocell 기기를 사용자가 설치하여 스펙트럼을 공간적으로 재사용함으로서 해결할 수 있다. IP망에 Femto AP를 연결함으로서 유무선 통신을 자유롭게 사용할 수 있도록 해주고, 적은 비용, 적은 전송 전력으로 서비스 영역 증가 효과를 얻을 수 있는 Femtocell 기술은 차세대 통신 시장을 이끌어 나갈 주목할만한 기술이다. Femtocell 기술의 사용의 확대를 위해서는 실제로 적용가능한 간결한 전력 제어 알고리즘이 필수적이다.
이에 따라서 본 논문에서는 Femto AP들 간의 간섭과 등록된 사용자 수를 기반으로 fairness를 개선하는 효율적인 분산 전력 제어 알고리즘을 제안하였다. Femto AP가 자신에 등록된 사용자의 수를 고려하지 않고 전송 전력을 결정한다면 적은 수의 사용자가 등록된 Femto AP에서의 필요 이상의 전송 전력은 주변 옥내 기지국이나 옥외 기지국의 성능 저하 요인이 될 수 있다. 또한 많은 사용자가 등록된 Femto AP에선 상대적으로 적은 전송 전력으로 인한 사용자들의 서비스 불만이 발생할 수 있다. 별다른 제제사항이 없다면 자신에 등록된 사용자들에 더 나은 서비스를 제공하기 위해 자신의 전송 전력을 최대치로 늘리려는 Femto AP들의 이기적인 행동을 비협력적 게임모델을 이용하여 시스템 모델링을 행하고 게임모델의 payoff에는 proportional fairness와 전송 전력이 미칠 간섭을 반영하여 제안한 게임모델이 supermodularity를 갖음을 증명하였다. supermodular 게임에서는 모든 참여자들이 자신의 전송 전력 값을 payoff를 최대로 만들도록, 즉 best response에 따라 전력을 전송한다면 결국에는 Nash equilibrium으로 수렴하게 된다는 특성이 있다. 이러한 특성을 활용하여 전송 전력의 크기를 정하는 분산적 전력 제어 알고리즘을 제안하였다.
수학적 분석과 시뮬레이션을 통하여 제안한 방안이 기존의 중앙 집중적 전력 제어 알고리즘과 fairness 지표, 평균 데이터 전송 속도를 비교하였을 때 비슷한 성능을 확인하였다. 또한 제안 알고리즘이 전송 전력의 최대값으로 발산하지 않는다는 사실로부터 인근 Macrocell, Femtocell 사용자들에 미치는 간섭이 줄어들 것이다. 제안한 간단한 간섭기반 분산 전력 제어 알고리즘을 기반으로 Femto AP들의 전송 전력을 결정하여 등록된 사용자들에게 만족스러운 서비스 품질을 제공한다.
