In these days, various kinds of Internet services and wide use of portable mobile devices increase the demand for wireless Internet services greatly. Because of the growing demand for high data rate services, wireless communication technology has been being developed from voice the oriented $1^{st}$ generation mobile communication to the current high technology mobile communication. In forthcoming $4^{th}$ generation (4G) mobile communication, technology and standard are being prepared for services that can provide ultra-high data rate to mobile users and for commercialization of 4G mobile communication system, which could be achieved in about 2015.
Recently, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has emerged as one of the promising techniques that can enable ultra-high data rate services. OFDM can overcome the frequency selective fading and inter-symbol interference problem. Also, cooperative relay technology enables enlarging the coverage area, increasing capacity at cell border, eliminating blinding spots and reducing transmit power. For these rea-sons, relay technology is also considered as an effective scheme for 4G. Since subdivided and newly added components make mobile communication systems more complex to operate, an efficient wireless resource management in mobile communication systems has become evidently important.
This study mainly focuses on the wireless resource management for OFDM based wireless communi-cation systems with cooperative relays. First, we study on a subcarrier and power allocation algorithm which maximizes system throughput while guaranteeing QoS requirement of users in user-cooperative OFDMA up-link system. In the user-cooperative system, optimizing system performance is challenging because the new issues such as selection of sources and relays and assignment of subcarrier and power for relay transmission must be considered. We introduce the simplified relay channel gain which converts cooperative transmissions into direct transmissions to regard a cooperative OFDMA system as a conventional OFDMA system. Under the simplified relay channel gain, we propose a subcarrier and power allocation algorithm. The proposed algo-rithm is computationally efficient and performs well in view of QoS.
Secondly, an uplink power assignment algorithm for a mobile station (MS) which considers rate re-quirements of MS in an OFDMA cellular system with decode-and-forward relay stations is studied. In uplink transmission, appropriate power control of mobile stations (MSs) is very important to maintain rate require-ments of MSs and link outage ratio and power consumption of MSs. Since conventional uplink power control schemes consider only direct link between MS and base station, a new uplink power control algorithm consi-dering relay links is required. Thus, in this study, we introduce probability-based model to assign uplink transmit power of MS while considering rate requirement of MS. An algorithm that provides an efficient solu-tion in terms of both power consumption and the frame outage ratio is proposed. Experimental results show that the proposed algorithm performs excellently in terms of power consumption and outage ratio.
Finally, in Mobile ad hoc network (MANET), nodes can join or leave network freely without centra-lized equipments; thus, MANET is the representative flexible wireless cooperative relay network without base station. Since there is no centralized equipment in MANET, each node must act as host and router simulta-neously. Hence, battery exhaustion of a node could cause separation of the network that hampers stable network operation. Therefore, the energy consumption of each node is a very critical issue. Also, security is another critical issue in MANET because the flexibility of routing makes it easy to attack. Most of researches on detecting routing disruption attack focused on finding inconsistency of suspicious packets by exchanging them among nodes in the network. However, exchanging suspicious packets imposes communication over-head for detecting attacks to each node and wireless communication takes a huge part of battery con-sumption of each node in MANET. Therefore, an approach which considers both battery consumption and security of nodes is required. In this study, we introduce cluster analysis method to detect routing disruption attacks while avoiding additional communication overhead of each node. By applying this cluster analysis to routing packets, each node can detect routing disruption packets independently. The proposed algorithm shows that each node can discriminate routing disruption packets without exchanging suspicious packets among all nodes in MANET.
오늘날, 인터넷 서비스의 다양화와 함께 휴대용 모바일 기기의 빠른 보급을 바탕으로 공간에 제약 받지 않고 인터넷 서비스를 요구하는 무선통신의 수요가 날로 증가하고 있는 상황이다. 이에 따라 무선 통신 기술은 음성 서비스위주의 1세대 이동 통신부터 시작하여 현재 데이터 통신 서비스를 목적으로 개발된 Wibro같은 3 세대 이후의 서비스까지 빠른 발전 양상을 보이고 있다. 더욱이 최근 스마트폰의 빠른 보급으로 인한 고속의 데이터 서비스에 대한 요구에 따라, 다가올 4세대 이동 통신에서는 이동중의 초고속 데이터 서비스를 목표로 기술 개발과 표준 확립을 눈앞에 두고 있는 시점이며 2015년경에는 4세대 이동통신 서비스가 상용화 될 것이라 기대된다.
이런 초고속 데이터 서비스를 가능하게 해주는 주요 기술로는 OFDMA방식이 주목 받고 있는데, 이 방식은 사용자의 데이터를 다중 직교채널을 통해서 전송함으로써 고속 서비스의 가장 큰 장애요인 중 하나인 심볼 간 간섭 (Inter Symbol Interference) 문제를 크게 완화할 수 있고 주파수 선택적 페이딩 (Frequency Selective Fading) 에 잘 대처할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, Relay를 사용한 협력 전송 기술도 기술이 가지는 경제성과 효용성으로 인해 다가올 4세대 이동통신 서비스에서 주목 받고 있다. Relay는 기존의 단일 기지국이 서비스 할 때 기지국과 단말 사이의 장애물 및 음영지역으로 인한 열악한 무선 채널환경을 개선하고, 적은 비용으로 Cell Coverage를 확장 할 수 있으며, 송신 단말들의 출력 수준을 상대적을 낮게 유지할 수 있어서 주파수 재사용과 간섭효과 감소 등의 장점으로 인해 고속데이터 서비스를 이루는 방안으로 주목 받고 있다. 이러한 OFDMA와 Relay를 기반으로 하는 무선 통신 시스템에서는 기존의 통신 시스템에서 보다 새로이 도입되고 세분화된 구성 요소들이 존재하므로 이를 효율적으로 운영하기 위한 무선자원 관리 방안이 요구된다.
본 연구에서는 OFDM기반의 Relay를 사용하는 무선 통신 시스템에서의 자원관리문제를 다루고자 한다. 첫째로, 사용자간의 협력 전송 기반의 OFDMA 시스템에서의 사용자의 서비스 수준을 보장하는 무선 자원 관리 방법을 연구하였다. 협력 전송 기반의 OFDMA 시스템은 기존의 직접 전송 방식의 OFDMA 시스템에서 존재치 않던 문제들을 해결해야 한다. “어떤 사용자가 누구를 도와주어야 할 것인가?”, “어느 자원을 얼마나 사용하여 도와줘야 할 것인가?” 등의 새로운 문제들이 야기되고 추가된 요소로 인해서 계산 과정이 복잡하여지므로 빠르고 효율적인 알고리즘을 찾기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 Relay를 사용한 무선 채널의 복잡성을 해결하기 위해서 Relay를 사용한 통신을 기존의 직접 통신으로 간주할 수 있는 방안을 제시하였고 이를 활용해서 사용자의 서비스 요구 수준을 만족시키면서 계산적인 측면에서도 효율적인 알고리즘을 제시하였다.
다가올 4세대 이동통신 시스템에서 채택된 Relay방식으로는 고정된 형태의 Relay Station이 고려되고 있는데, 이런 환경 하에서는 사용자의 입장에서 상향링크 데이터 전송 시 송신 전력을 효과적으로 줄일 수 있으며 셀 가장자리 부근에서의 안 좋은 채널 환경에서도 Relay Station을 통하여 정상적인 서비스를 받아볼 수 있게 된다. 상향링크의 서비스 품질은 사용자의 단말이 얼마만큼의 적절한 송신 전력을 사용하여 전송하느냐에 따라서 결정되게 되는데 기존의 상향링크 송신 전력 결정방식들은 Relay를 사용하지 않았으므로 직접통신 링크만을 고려하였다. 그러므로 Relay를 사용하는 4세대 이동통신 시스템에서는 사용자와 Relay Station그리고 기지국을 포함하는 채널들의 환경을 고려한 상향링크 송신 전력 결정 알고리즘이 새롭게 요구된다. 본 연구에서는 각 사용자들이 Relay Station을 이용한 상향링크 전송에서 확률에 기반한 상향링크 송신 전력 결정 알고리즘을 제안하였다.
Cooperative Relay를 사용하는 OFDM 기반 무선 통신 시스템에서는 각 노드들의 출입이 자유롭고 중앙 집중적 장치가 없이 운영되는 Mobile Ad-Hoc Network (MANET)이 가장 유연한 형태의 네트워크이다. 이런 MANET에서는 각 단말들이 호스트와 라우터 역할을 모두 하여야 하므로 각 단말들의 에너지 소비량이 자원관리에서 중요한 이슈가 되는데 이는 각 단말이 에너지 고갈로 작동이 중지되면 해당 단말과 연결되어 있는 다른 단말에게까지 네트워크 서비스에 영향을 미치기 때문이다. 또한, MANET에서는 자유로운 라우팅으로 인해 라우팅 방해 공격에 대해 매우 취약하다. 따라서 정상적인 네트워크 운영을 위해서는 라우팅 관련 보안 문제도 중요한 이슈이다. 기존의 MANET관련 연구들은 이 두 가지 이슈를 독립적으로 고려해왔으나 본 연구에서는 두 이슈를 모두 고려하여 각 노드마다 독립적으로 군집분석을 활용하여 라우팅 방해 공격을 탐지하는 방안을 제시하였다. 제시한 방안은 보안을 위해 추가적으로 사용되는 데이터 송수신 과정을 배제하여 노드의 에너지 소비의 가장 큰 부분을 차지하는 데이터 송수신에 사용되는 에너지를 줄임으로써 MANET의 핵심이 되는 두 가지 이슈를 통합적으로 고려하였다.
