Cooperative communication assisted by relay nodes can significantly improve the quality of wireless links due to a spatial diversity from different transmitters. Therefore, there have been extensive researches related to cooperative communication. Among plentiful studies, an effective resource allocation algorithm for cooperative transmission is important in order to adopt the cooperation to practical systems and evaluate the benefits of the cooperation. However, most of existing works on resource allocation unfortunately were not considered interference from neighboring wireless links that utilize the same frequency band. Moreover, few recent studies investigating cooperative communication in interference limited networks were not solved a joint resource allocation problem including optimal relay selection and power control.
Therefore, in this thesis, we suggest an effective resource allocation algorithm for cooperative communication in interference limited wireless networks. We consider the situation where numerous cooperation pairs are uniformly distributed in a given area. Before investigating the case of multiple cooperation pairs, we concentrate on a special system model that consists of only two cooperation pairs. One is an interested cooperation pair that we allocate resources and the other is a neighboring cooperation pair that interferes to the interested cooperation pair. We can easily obtain insight of joint power allocation and relay selection from this simple situation. Then, we formulate an optimization problem of relay selection and power allocation to minimize the total power consumption while satisfying the quality of service requirement of multiple cooperation pairs. However, the optimization problem is a mixed integer non-convex problem which is one of the most difficult problems to solve. Therefore, we propose an iterative heuristic algorithm that each cooperation pair resolves the resource allocation problem of own cooperation pair using allocation information of other cooperation pairs updated from a previous iteration. Simulation results reveal that the superiority of our proposed scheme compared to two latest conventional schemes and an optimal allocation scheme. In the case of two cooperation pairs, the proposed algorithm achieves the best optimal performance with low computational complexity. And, in the case of multiple cooperation pairs, the proposed algorithm outperforms two conventional algorithms. Specifically, the total power consumption of cooperation pairs can be efficiently reduced and more number of feasible cooperation pairs can be guaranteed when the proposed algorithm is used. Moreover, the proposed scheme significantly degrades the number of iterations to converge which represents operation time. In conclusion, efficiencthe servicey of cooperative transmission is improved while the proposed algorithm is applied to the practical cooperative communication.
최근 멀티미디어를 사용하는 서비스의 급격한 증가로 인해, 무선 통신 환경에서 더 높은 전송 속도에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다. 이와 같은 문제의 해결책으로, 릴레이의 사용이 서비스 제공자들의 폭 넓은 관심을 받고 있다. 원래, 릴레이는 통신이 불가능한 음영 지역에 신호를 전송하여 서비스 커버리지를 증대시키는데 사용되었다. 하지만, 최근 들어 릴레이를 사용하는 흥미로운 응용 통신 방법들이 나타나고 있다. 그 중 대표적인 것이 송신기에서 수신기로 전송되는 신호를 특정 협력 방식을 이용하여 릴레이가 도움을 주는 협력 통신이 있다. 협력 통신에서는 도움을 주는 릴레이가 추가적인 공간 다이버시티를 제공하여 전송 속도를 증가시킬 수 있다.
최근 몇 년 동안 협력 통신에 대해서 광범위한 연구가 진행되었다. 그 중에서, 협력 통신을 위한 효과적인 자원 할당 방안은 협력 통신을 실제 시스템에 적용하고 성능 이득을 정확히 측정하기 위해 매우 중요하다. 특히 릴레이가 송신기의 정보 전송을 도와주는 과정에서 부가적인 전력이 소모되므로, 일정 수준의 서비스 질을 보장하면서 불필요한 전력 소모를 최소화하는 방안이 필요하다. 하지만, 이와 관련된 대부분의 연구들이 독립적인 협력 통신 시스템에 초점을 맞추었다. 다시 말해, 하나의 송신기가 하나의 수신기로 정보를 전송하고 이를 다수의 릴레이들과 협력하는 상황을 연구하였다. 하지만 협력 통신을 셀룰러 네트워크와 같은 실제 환경에 적용하기 위해서는 주변의 다른 통신 과정에서 발생하는 간섭을 고려하는 것은 피할 수 없는 문제가 될 것이다.
따라서, 본 학위 논문은 간섭이 존재하는 환경에서 협력 통신의 효율을 증가시키기 위한 전력 할당과 릴레이 선택에 초점을 맞추었다. 이를 위해 다수의 협력 전송 그룹이 일정 영역 안에 존재하여 서로 간섭을 미치는 상황을 고려하였다. 먼저, 송신단과 협력 릴레이의 전송 전력의 총량을 최소화시키면서 각 전송 그룹이 일정 신호 대 간섭비를 만족시키는 최적화 문제를 만들었다. 하지만 이 문제는 다른 그룹에서 들어오는 간섭과 릴레이 선택이 식에 표현된 부분으로 인해 정수혼합 비선형 문제가 되어 시간 복잡도 측면에서 최적의 해를 구하는 것이 불가능에 가깝다. 따라서, 우리는 최적화 문제를 해결할 수 있는 휴리스틱한 방안을 제안하였다. 제안한 휴리스틱 방안에서는 각 협력 전송 그룹이 반복적으로 스스로의 전력 할당과 릴레이 선택 문제를 다른 전송그룹이 이전 반복 시간대에서 할당한 정보를 바탕으로 해결한다. 이 반복 풀이 과정은 각 그룹의 독립적인 결과가 특정 위치로 모여들게 되면 종료된다.
시뮬레이션 결과에서, 제안한 자원 할당 방안을 최신 기존 연구 및 최적 자원 할당 방안과 비교하여 우수성을 입증하였다. 제안한 방안은 다수의 협력 전송 그룹이 존재하는 환경에서 10%이상의 전력 소비량 감소를 보여준다. 또한 간섭이 강한 환경에서도 전송 그룹이 주어진 신호 대 간섭비를 만족시키는 상황을 5%이상 증가시킨다. 게다가, 반복 과정을 수행하는 횟수를 최대 50%이상 감소시킴으로써 동작 시간도 절약한다. 따라서 제안 방안은 간섭이 존재하는 환경에서 적은 복잡도를 가지고 효과적으로 전력을 할당하고 릴레이를 선택하는 방안임을 확인하였다. 이 개선점을 셀룰러 네트워크와 같은 실제 환경에 구현한다면 협력 통신을 위해 불필요하게 낭비되는 전력 소모를 줄일 수 있다.
