The growth of wireless multimedia applications, such as real-time video or multimedia broadcasting services, requires high-speed and reliable communication over wireless channels. Recently, there has been increasing interest in multi-hop relaying and orthogonal frequency division multiplex (OFDM) for cellular networks, due to their ability of capacity enhancement, coverage extension and cost reduction. To achieve these advantages concurrently, an accurate performance analysis of OFDM based multi-hop is one of the most important issues, because it makes possible to optimize system design in the consideration of complex interactions between, routing, medium access control and resource allocation. Therefore, in this thesis, we focus on the accurate performance analysis of OFDM based multi-hop cellular networks.
First, we develope an appropriate fading model for OFDM system analysis. Specifically, we propose an approximation method for the channel impulse response of a specific OFDM subcarrier over frequency-selective Nakagami-m fading. Using fading figure matching as a basis, we show that a frequency domain channel can be approximated by Nakagami-q (Hoyt) and Nakagami-n (Rice) models. The proposed approximation scheme is accurate in that the approximated envelope distribution is almost optimum in terms of root mean square error (RMSE), simple in that the fading parameters are explicit functions of the fading parameters of the frequency-selective channel, and flexible in that it is applicable to all power delay profiles.
Second, using the developed channel model, an exact queuing analytical model is studied to evaluate quality of service (QoS) metrics in the downlink of multi-user OFDM system. At first, we derive average transmission error rate of physical layer protocol data unit under the consideration of an adaptive modulation and coding (AMC) scheme. To find out the joint effect of the AMC, packet fragmentation and finite queue length on the performance of OFDM system, the channel and queue state are modeled as a finite state Markov chain (FSMC) model. The transition probability matrix is formulated as a non-homogeneous quasi-birth-and-death model and a matrix geometric method is adopted to get the steady-state distribution of the FSMC. Based on these results, we evaluate QoS metrics for OFDM system in terms of average throughput, packet dropping probability and expected delay.
Third, we analyze the QoS performance of cooperative transmission with considering maximal ratio combining at receiver. A general method for deriving the joint distribution of envelope and its time derivative for the output envelope of MRC technique is developed, assuming independent nonidentically distributed Nakagami channels. Using the proposed method as a basis, exact and closed-form expressions for a level crossing rate (LCR) and an average fade duration (AFD) are derived for the MRC output envelope of two nonidentically distributed Nakagami channels. The validity of derived expressions is verified (i) by showing that derived results can be reduced to some special cases previously derived and (ii) through simulation results. By applying this higher order statistics to our FSMC model derived for OFDM performance analysis, we obtain the performance of QoS metrics in cooperative multi-hop cellular networks.
Fourth, to maximize system performance of multi-hop OFDM system, we present a dynamic rate control algorithm by utilizing the channel state information of second hop link and the queue length information at the RS. Using the fluid model analysis, we show that the proposed algorithm is stable in that the queue length at the RS converges to target queue length asymptotically and reliable in that the parameters used in rate update formula are determined to optimize the convergence speed. In addition to the stability analysis, we derive the throughput gain of the proposed algorithm in the consideration of MS handover. Moreover, numerical examples are provided to describe the performance of proposed algorithm compared to conventional scheme.
Finally, we investigate an adaptive resource allocation scheme that maximizes system capacity in the downlink of multi-hop OFDM systems while considering the fairness level of all MSs. The proposed algorithm considers a joint subchannel assignment, path selection and power distribution for the full utilization of multiuser and spacial diversity of the system while guaranteeing minimum resources for each user. Since the optimization should be performed in real time, we propose an efficient heuristic algorithm composed of subchannel allocation, load-balancing and power-distribution steps. The results of numerical analysis show that the proposed algorithm performs similarly to the optimum solution to low computational complexity.
최근 급속히 늘어나는 무선 멀티미디어 서비스에 대한 수요를 충족시키기 위해서는 주어진 주파수 대역의 활용을 극대화하여 시스템 용량을 개선하는 동시에 단말의 위치에 관계없이 일정한 서비스 품질을 보장해야 한다. 최근 이러한 요구사항을 만족시키기 위한 방안으로 직교 주파수 분할 다중화 기반 멀티홉 셀룰러 네트워크에 대한 관심이 집중되고 있으며, 상기 시스템의 성능을 향상시키기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 OFDM기반의 멀티홉 셀룰러 네트워크의 경우 기존 단일 반송파 기반의 단일홉 네트워크에 비해 라우팅, 자원관리, 매체 접근 제어 및 스케줄링기법 간의 상호관계가 복잡해진다. 본 논문에서는 이러한 OFDM기반 멀티홉 셀룰러 네트워크의 복잡한 특성을 고려하여 시스템 설계와 알고리즘 최적화를 수행 하는데 선결되어야 하는 정확한 성능 분석을 수행 하였다.
첫째, 주파수 선택적 Nakagami-m 페이딩 상황에서 OFDM 서브채널을 Nakagami-n 모델과 Nakagami-q 모델로 정확히 근사화 하였다. 각각의 채널 모델의 페이딩의 정도를 수치화 하여 매개 변수들의 상관 관계를 유도하였으며, 그리디 탐색으로 구한 최적 매개 변수 값과 비교함으로 써 근사화의 우수성을 입증하였다. 아울러, 제안한 방안은 기존의 알려진 Rayleigh나 Nakagami-m 모델 기반의 근사화 보다 좀더 정확함을 모의실험을 통하여 확인하였다.
둘째, 상기의 근사화한 채널 모델을 기반으로 OFDM 시스템에서 무선 채널 상태 변화와 패킷 큐의 상태변화를 유한상태 마르코프 모델 로 표현함으로써 OFDM 시스템의 서비스 품질 분석을 가능케 하였다. 제안한 방안은 기존연구에서는 고려하지 않은 전력 지연 프로파일, 패킷 분할, 적응 변조 및 부호화 기술을 분석모델 반영함으로써 OFDM 시스템의 정확한 성능 분석을 가능하게 하였을 뿐만 아니라, 다중 사용자 및 주파수 선택적 페이딩을 동시에 고려함으로써 큐잉모델 기반 서비스 품질 분석의 적용 범위도 확장 시켰다.
셋째, Nakagami-m 페이딩 상황에서 멀티홉 셀룰러 시스템의 용량증대와 서비스 영역확장에 핵심적인 기술인 협력전송 과 최대비 결합 기법 을 고려하였을 때 채널의 레벨 교차율을 유도하여 큐잉모델을 통한 서비스 품질분석을 가능케 하였다. 본 논문에서는 레벨 교차율을 유도하기 위해서 단말에서 수신한 신호들을 초구형 도메인으로 변환하는 방법을 최초로 사용하였으며, 두개의 노드만 협력 전송할 때에는 폐쇄형 해를 구하였다.
넷째, OFDM기반 멀티홉 셀룰러 네트워크에서 협력전송을 수행하기 위해서는 기지국이 중계 노드에 적절한 수준의 데이터를 미리 전달해 두어야 하는데, 이 때 기존 싱글홉 시스템의 기술을 단순히 확장할 경우 무선 멀티홉 링크에서의 지연이 증가함과 동시에 단말의 핸드오버 시 자원의 극심한 자원낭비가 초례 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 논문에서는 중계 노드와 단말 사이의 채널 정보와 중계 노드의 큐정보를 이용하여 기지국과 중계 노드사이의 전송률을 제어하는 페루프 전송률 제어기법을 제시하였다. 아울러 유체 모델을 이용하여 제안한 페루프 전송률 제어기법의 안정성를 증명하였으며 무작위 이동모델을 이용하여 단말의 핸드오프 시 버려지는 데이터의 양을 정량적으로 유도 하였다.
최종적으로, 멀티 유저 멀티홉 OFDM시스템에서 사용자 별 공평성을 보장하는 동시에 시스템의 용량을 증대시키기 위하여 채널 정보 기반의 자원할당방법에 관하여 연구하였다 기지국이 모든 채널 정보를 알고 있다고 가정한 후 최적화 기법을 이용하여 최적 자원할당 방안을 수식화 하고 이를 바탕으로 서브채널 할당, 파워 분배, 경로 설정 방안들을 유도 하였다. 아울러 스템의 용량의 손실을 최소한으로 줄이면서 복잡도가 낮은 효율적인 휴리스틱 알고리즘을 제안함으로써 기지국이 실시간으로 자원할당을 수행할 수 있도록 하였으며 시뮬레이션 결과를 통하여 제안한 휴리스틱 알고리즘의 우수성을 입증 하였다.
