In recent tide of wireless communication, the demand of high data rate is rapidly increasing. To guarantee the quality of service for users and maximize the efficiency of frequency resource, the cell shape is getting toward small and hierarchical. In this situation, the communication environment changes more dynamically. Therefore, an innovative network topology need to be designed based on the cognition of network environment. In this thesis, we design a new network topology named as VCN(Virtual Cell Network) and propose efficient resource management algorithms to improve the system performance greatly.
First, we define the network structure of VCN which is managed by a single CU(Central Unit). Multiple antennas are controlled by the CU, then conform a virtual cell. This is why we call the new network topology as VCN. In VCN, perfect cooperative operation is possible in the centralized structure based on the cognition of the network environments. We describe the functionalities of each element in VCN, and propose some operational scenarios which can be performed in VCN.
Second, we propose a group scheduling algorithm to improve the uplink performance of a single VCN. Conventionally, the uplink user selection is performed based only on the channel reporting of the user in the network. That means the asymmetry in uplink and downlink cannot be considered. It causes the degradation of system performance. In the proposed algorithm, the CU optimally manages and updates group information to mitigate the uplink interference. Then, the uplink scheduling is performed in terms of the group managed by CU. Consequently, the system performance is greatly increased.
Third, we propose a hybrid resource management algorithm to improve the system performance and provide network-wise fairness. We combine a centralized algorithm and a distributed algorithm to adapt to the network environments. Through the proposed algorithm, we can reduce the complexity for allocating resource in VCN and provide network-wise fairness. Also, to overcome the problems of non-uniform traffic distribution, we propose an efficient algorithm to compensate overloaded cells.
Forth, we propose an efficient frequency reuse algorithm for coexisting of multiple VCNs. Inter-VCN interfere is much more difficult to mitigate. In the proposed algorithm, however, the inter-VCN interference is recognized through the cooperative signaling procedure using the interface between central units, then interference graph is constructed based on the information. Thus, the frequency reuse factor is dynamically decided from the interference graph. After deciding the frequency reuse factor of each RAU in the virtual cell network, we smartly allocate subchannel to improve the efficiency according to the determined frequency reuse factor.
Fifth, we propose an application adopting cognitive radio technology in VCN. Then, we investigate a critical problem in virtual cell network in case of using cognitive radio technology. It is the cell outage which is generated during spectrum handover. Therefore, we propose a seamless handover scheme which considers the possibility of outage to overcome the problem. The proposed scheme reduces the outage probability and the total number of handovers. Hence, it provides seamless service.
미래 이동 통신 시스템은 높은 데이터 전송률과 사용자의 서비스 품질을 보장해주기 위하여 셀의 크기가 작아지고 네트워크 구조가 계층화 및 다중화되고 있다. 이러한 환경에서 시스템 성능을 최대화 하기 위하여 네트워크의 동적 변화의 인지를 바탕으로 하는 적응적인 동작이 필수적이다. 이를 위하여 기존 시스템의 한계를 획기적으로 극복할 수 있는 혁신적인 네트워크 구조의 정의가 필요하다. 본 논문에서는 주변 상황의 인지를 기반으로 하여 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 네트워크 구조인 VCN(Virtual Cell Network)를 제안하고 VCN의 특성을 고려하여 시스템 용량과 서비스 사용자의 서비스 품질을 향상시킬 수 있는 자원 관리 방안을 제안한다.
첫째, 가상의 셀 형태를 지니면서 네트워크 전체를 하나의 CU(Central Unit)에서 제어할 수 있는 VCN의 구조를 정의한다. 시스템 구조의 동적인 변화가 가능하며 네트워크 내의 모든 동작은 CU에 의해 관리되므로 안테나간에 완벽한 협력이 가능하다. 이를 위한 시스템 구성 방식을 제안하고 시스템을 구성하는 각 구성 요소의 기능을 정의한다. 또한, VCN의 네트워크 구조를 이용하여 구현가능한 동작 시나리오를 기술한다.
둘째, VCN에서 중앙집중화된 네트워크 구조를 이용하여 상향링크의 성능을 개선할 수 있는 스케쥴링 알고리즘을 제안한다. 기존의 방식은 하향링크의 채널 정보를 기반으로 상향링크의 스케쥴링을 수행하기 때문에 상향링크와 하향링크의 간섭 모델의 비대칭성에 의하여 성능이 열화되는 문제점이 있었다. 제안하는 방식은 각기 다른 RAU(Remote Access Unit)에 의해 서비스를 받는 사용자들의 그룹을 형성하고 그룹 단위의 스케쥴링을 통하여 간섭을 효과적으로 회피할 수 있다. 최적의 그룹 형성 방식과 성능을 최대화 할 수 있는 그룹 스케쥴링 방안을 제안하고 성능을 비교 분석한다.
셋째, VCN에서 계층화된 네트워크 구조를 이용하여 하향링크 자원할당의 복잡도를 개선하고 셀의 공평성을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 제안한다. 기존의 자원할당을 위한 DSM(Dynamic Spectrum Management)방식은 간섭이 매우 크게 미치는 셀 경계지역에만 성능 개선의 여지가 있고 간섭의 영향이 크지 않은 지역에서는 성능의 개선은 미미하고 복잡도만 증가를 시키는 문제점이 있었다. 따라서 제안하는 방식은 채널 상황에 따라서 VCN 내의 사용자들을 구분한다. 셀 경계 지역의 사용자들에 대해서는 CU에서 인접 셀의 채널 정보를 모두 고려한 복잡도가 높은 자원할당 알고리즘을 적용하고, 셀 경계 지역이 아닌 사용자들에 대해서는 RAU에서 낮은 복잡도를 갖는 분산 알고리즘을 적용한다. 또한, 트래픽의 분포가 매우 불균일한 환경에서 셀 간의 공평성을 향상 시킬 수 있는 알고리즘을 제안하고 성능을 비교 분석한다.
넷째, 복수의 VCN이 동시에 존재하는 환경에서 VCN 간의 간섭을 효과적으로 제어할 수 있는 주파수 재사용 방식을 제안한다. VCN이 독집적으로 존재하는 경우에는 인접 VCN에서의 간섭 관리는 VCN 내의 간섭관리보다 어렵기 때문에 성능 열화의 원인이 된다. VCN 간의 간섭 문제를 해결하기 위하여 간섭 그래프를 작성하는 과정을 기술하고 간섭 그래프를 기반으로 최적의 주파수 재사용 계수를 찾고 동적인 주파수 재사용을 하는 알고리즘을 제안한다. 또한, 효율적인 채널 선택을 통하여 성능을 최대화 할 수 있는 알고리즘을 제안하고 성능을 비교 분석한다.
다섯째, VCN의 한계를 극복하고 성능을 획기적으로 증가시키기 위하여 CR (Cognitive Radio) 기술을 VCN에 접목한다. CR 기술을 사용하는 경우에 시스템은 일반적으로 넓은 주파수 대역을 사용한다. 이 경우, 주파수에 따라서 전파 특성이 다르기 때문에 같은 파워를 사용하는 경우에도 주파수에 따라서 셀의 커버리지가 바뀔 수 있는 문제점이 있다. 따라서 주파수가 변경될 시에 주파수 특성을 고려하여 셀의 커버리지를 예측하여 사용자의 서비스 품질을 보장해줄 수 있는 방식을 제안하고, 이를 통하여 사용자의 서비스가 끊기는 확률이 획기적으로 감소됨을 보인다. 또한, 불필요한 셀간 핸드오버를 감소시킴으로써 성능을 향상 시킬 수 있음을 보인다.
