With increasing demands for the wireless communication, there have been lots of efforts to make the communication in the wireless channel more reliable and faster in the literature. To achieve these goals, many works on the wireless networks are focused on the fading of a wireless channel, which is the random fluctuation in signal strength over time and frequency. Since a reliable communication cannot be guaranteed when the signal strength is weak, which is called deep fading, various diversity schemes have been proposed to alleviate the fading of wireless channel. The cooperative diversity which will be considered in this dissertation is one of them.
The cooperative diversity is generated from the independence of signals from multiple nodes which are spatially apart. To achieve this diversity, a wireless network with relay nodes is adopted. A relay node is defined as a node in a wireless network that gives relay service between the source node and the destination node. A wireless network which contains at least one relay node is said to be a wireless relay network. In most of the previous works, the wireless relay networks are examined and studied in the sense of physical layer performances, e.g., information-theoretic capacity, outage probability and bit error rate. However as well as the physical layer performances, the performance measures in the data link layer, e.g., average packet delay or system latency, are also crucial to the quality of service that a end user experiences. From this reason, we investigate the performance in the data link layer of the wireless relay networks and propose a relay selection scheme that minimize average packet delay in this dissertation. We also investigate a capacity optimal design of a two-hop wireless relay network.
In Chapter 3, we analyze the performances of a cooperative automatic repeat request (ARQ) protocol under Poisson arrivals and the time-correlated Rayleigh fading channel environment. The conventional non-cooperative ARQ protocol under the same channel environment is also analyzed to compare its performances with those of the cooperative ARQ protocol. From our analysis, we show that the cooperative ARQ protocol outperforms i the non-cooperative ARQ protocol and the effect of the time correlation in the fading channel is not negligible. We also see that performance metrics which we consider in this paper are almost the same if $d^2_SR$+$d^2_RD$ remains constant where $d_SR$ is the distance between the source node and the relay node, and $d_RD$ is the distance between the relay node and the destination node.
In Chapter 4, we consider a wireless network consisting of a source node, a destination node and multiple relay nodes under Rayleigh fading channels. Cooperative diversity of relay nodes is achieved by selecting an opportunistic relay node with the best channel condition to the destination node. To focus on the packet level performance in this paper, we analyze average packet delay of the network for various modulation and coding schemes. We assume that the arrival process of packets follows a Markov modulated Poisson process (MMPP). The detailed relations between average packet delay and network parameters such as average signal to noise ratios (SNRs) between nodes, the number of relay nodes and packet arrival rate, are investigated through numerical studies based on our analytical model and simulation. From our numerical results, we conclude that the optimal modulation and coding scheme that minimizes average packet delay depends not only on SNRs of channels between nodes but also on the arrival rate of packets at the data link layer.
In Chapter 5, we propose a novel cross-layer single relay selection scheme, which is called the FCSB scheme. The same network model presented in Chapter 4 is considered in this chapter. We build an analytical model that describes the queueing process of the source node and derive average packet delay of the FCSB scheme from our analytical model. Our analytical model is verified through a simulation. The results from our analytical model implies that average packet delay of the FCSB scheme is less than that of the other existing relay selection schemes. We also investigate the optimal design of the FCSB scheme which depends on the SNRs of channels between nodes.
In Chapter 6, a decode-and-forward two-hop wireless relay network exploiting cooperative diversity is considered. By considering transmission overheads in detail to exploit cooperative diversity, an explicit expression is derived for the average transmission capacity of the wireless relay network, which is a function of the transmission time and coding rate by the source node. Some numerical examples based on our analysis are provided to demonstrate performance behaviour.
최근 무선 통신에 대한 수요의 증가에 따라 무선 통신네트워크에서의 보다 빠르고 안정적인 통신환경의 구축을 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 이러한 목표를 이루기 위하여 기존의 많은 연구들은 페이딩(fading)이라는 무선 통신의 현상에 주목하고 있다. 무선 채널에서 발생하는 페이딩은 시간과 주파수에 따라 전송 신호의 세기가 변화하는 현상을 일컫는다. 이때 신호의 세기가 매우 작게 된다면 (이를 신호가 deep fading하였다고 말한다) 신뢰성있는 통신이 어렵게 된다. 따라서 이러한 무선통신의 문제를 해결하고자 다양한 다이버시티 (diversity) 개념들이 등장하게 되었다. 이 논문에서 다루어질 협력 다이버시티 (cooperative diversity) 역시 그러한 여러 다이버시티 개념들 중 하나이다.
협력 다이버시티는 공간적으로 분리된 단말(node)에서 전송되는 각각의 신호가 서로 독립적이라는 사실에서 기인한다. 이러한 다이버시티를 실제로 구현하기 위해 일반적으로 중계 단말 (relay node)이 있는 무선 네트워크가 등장하였다. 중계 단말은 송신 단말 (source node)과 수신 단말 (destination node)사이에 존재하여 중계 서비스를 제공하는 단말을 의미한다. 이러한 중계 단말을 하나 이상 포함하는 무선 네트워크를 무선 중계 네트 워크 (wireless relay network)라고 정의할 수 있다. 무선 중계 네트워크에 대한 기존의 연구들은 대부분 정보 이론적인 용량 (capacity)이나 비트 오류 빈도 (bit error rate) 등의 물리 계층 성능에 주목하여 왔다. 그러나 실제 사용자에게 만족할 만한 서비스를 제공하기 위해서는 앞서 언급된 물리 계층의 성능뿐 아니라 데이터 링크 계층 (data link layer)의 여러 성능 지표, 예를 들어 평균 패킷 전송 지연 서비스 시간 또는 평균 패킷 대기시간, 일정 수준이상으로 보장되어야 한다. 이러한 이유에서 본 논문은 무선 중계 네트워크에서 데이터 링크 계층의 성능을 수리적으로 분석하는 방법을 개발하였다. 덧붙여 통신망의 물리 계층 뿐 아니라 대기열 (queue)이 위치한 데이터 링크 계층의 상태 정보를 연동한 교차 계층 (cross-layer) 설계를 통하여 새로운 중계 단말 선택 방법을 제시하였다. 또한 이 논문에서 는 무선 중계 네트워크에서의 용량 최적화를 위한 방법을 제시한다. 대부분의 기존 연구에서는 하나의 전송 시간 단위(slot) 안에서 송신 단말과 중계 단말들 사이의 전송 시간과 중계 단말과 수신 단말 사이의 전송시간이 같다고 가정하였다. 이에 이 논문에서는 송신 단말의 전송시간과 부호화 빈도 (coding rate)를 변수로 놓고 용량을 최적화 하는 방법에 대하여 알아본다.
본 논문 3장에서는 하나의 송신, 수신 그리고 중계 단말이 있는 무선 중계 네트워크에서의 협력 자동 반복 요청 (cooperative ARQ) 프로토콜의 여러 성능에 대하여 분석하였다. 이때 송신 단말에서는 frame들이 푸아송 과정 (Poisson process)에 의해 발생한다고 가정하였으며 단말사이의 무선 채널은 시간적으로 상관관계가 있는 레일라이 페이딩 채널 (time-correlated Rayleigh fading channel)이라 가정하였다. 수리적인 분석과 시뮬레이션 결과로 우리는 중계 노드가 참여하는 협력 자동 반복 요청 프로토콜이 기존의 비 협력 자동 반복 요청 (non-cooperative ARQ) 프로토콜보다 여러 가지 성능적 측면에서, 예를 들어 평균 프레임 서비스 시간 또는 평균 프레임 대기시간, 더 우위에 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 기존의 연구에서 간과되었던 무선 채널의 시간적 상관관계의 정량적인 크기가 실 제 성능에 많은 영향을 미친다는 것을 추가로 확인할 수 있었다. 마지막으로 중계 단말과 송신 단말 사이의 거리 그리고 중계 단말과 수신 단말 사이의 거리의 합이 일정하다면 대부분의 성능적 지표들이 거의 동등함을 수리적 분석을 토대로 얻어낸 수치 결과로부터 확 인할 수 있었다.
본 논문 4장에서는 하나의 송신, 수신 그리고 다수의 중계 단말이 있는 무선 중계 네트워크에서의 평균 패킷 전송지연 시간 (average packet delay)에 대하여 분석하였다. 이 경우 협력 다이버시티는 가장 좋은 채널을 갖는 하나의 중계 노드를 선택하는 중계 노드 선택 방법 (relay node selection scheme)에 의하여 구현된다. 실제 네트워크의 트래픽 특성을 좀더 비슷하게 묘사하기 위하여 두 개의 상태를 갖는 마르코프 변조 푸아송 과정 (MMPP, Markov modulated Poisson process)을 패킷 발생 과정으로 가정하였다. 또한 우리는 실제 시스템에 적용되고 있는 다양한 변조 및 부호화 (modulation and coding)방식을 고려하였다. 수리적 분석과 시뮬레이션을 통해 평균 패킷 전송지연 시간과 여러 네트워크 지표, 예를 들어 단말 사이의 신호 대 잡음 비율 (SNR, signal to noise ratio) 및 패킷 발생 빈도, 사이의 상관관계를 파악하였다. 또한 이러한 분석을 토대로 평균 패킷 전송지연을 최소화 할 수 있는 변조 및 부호화 방식은 단지 단말 간의 신호 대 잡음 비율에 의해서만 결정되는것이 아닌 데이터 링크 계층의 네트워크 지표인 패킷 발생 빈도에 의하여서도 결정된다는 사실을 확인하였다.
본 논문 5장에서는 4장에서와 동일한 네트워크 모델에 기반한 새로운 교차 계층 중계 단말 선택 방법을 제안하였다. FCSB 방법이라고 불리는 이 방법은 기존의 중계 단말 선택 방법에서와 같이 단말간의 신호 대 잡음비를 통하여서만 중계 단말을 결정하는 방식에서 벗어나 단말간의 신호 대 잡음비와 각각 중계노드가 성공적으로 복호화 (decoding)한 패킷의 수를 동시에 고려하여 중계 노드를 선택하는 방식이다. 우리는 FCSB 방식에서의 평균 패킷 전송지연 시간을 수리적으로 분석하였다. 이러한 수리적 분석과 시뮬레이션을 통해 최적화된 FCSB 방법은 다른 기존의 중계 단말 선택 방법에 비해 평균 패킷 전송지연 시간의 측면에서 더 우수함을 알 수 있었다. 또 이러한 FCSB의 최적화는 단말간의 신호 대 잡음비의 정량적인 크기에 종속됨을 확인하였다.
본 논문 6장에서는 복수의 중계 단말들이 있는 무선 네트워크에서의 용량 최적화에 대해 분석하였다. 하나의 전송 시간 단위 안에서의 송신 단말 전송 시간과 송신 단말이 선택하는 부호화 비율을 변수로 선택한 후 평균 전송 용량의 구체적인 (explicit) 수식을 얻었다. 중계 노드를 선택할 때 발생되는 비용인 탐색 및 되먹임 (training and feedback) 시간도 수 식을 얻는 과정에 고려되었다. 이는 전송 시간 단위 안에서 송신 단말의 전송시간과 중계 단말의 전송시간을 같다고 가정한 기존 연구들을 확장시킨 것이다. 수리적 분석에 바탕한 수치 결과를 통하여 용량을 최대화하는 송신 단말의 부호화 비율과 전송 시간을 알아낼 수 있었다.
