With rapid growth in mobile services in wireless networks, there have been developed lots of techniques to provide more faster and reliable services. Since wireless channels in wireless networks have distinctive properties of signal attenuation and signal
uctuation different from channels in wire-line networks, there have been lots of efforts to overcome these detrimental effects. In particular, wireless relay networks operating with the help of relay nodes have attracted much attention because they can provide more faster and reliable data services for not only near mobile users but also far users with
extending transmitting coverage area and alleviating signal uctuation.
On the other hand, because wireless resources such as bandwidth and power are limited and scarce, it is essential to efficiently utilize these limited resources to provide higher data rate services and to guarantee required Quality of Service (QoS) services for mobile users. There need much information such as channel and queue conditions to allocate resources efficiently. These overheads may require lots of portion of resources and reduce network performance. Moreover, because the communication between the source node and the destination node operates over two-hop link with the help of relay nodes, it is necessary to consider the operation of relay nodes and more necessary overheads for allocating resources.
With exploiting benefits from relay nodes and considering issues of resource allocation for wireless relay networks, in this dissertation, we consider resource allocation problems in wireless relay networks to improve network performances and to provide users` required services with reduced overheads. First, in most previous works, they consider power and rate allocation problems in terms of network, not individual relay node. Because relay nodes in worse channel channel conditions can use more power and more quickly drain out their remaining energies, it may reduce network lifetime and cannot improve network performance. For this reason, we consider a fair and efficient power allocation problem to solve the above drawback. While most works concentrate on physical layer`s performances, e.g., capacity and bit error rate, as the demands for real time mobile services increase, it is important to consider resource allocation for maximizing link layer`s performance such as average packet delay. Therefore, we investigate a cross-layer and distributed resource allocation problem for maximizing delay utility anddecreasing necessary overheads.
In Chapter 2, we consider a two-hop decode-and-forward relay network. We assume that relay nodes have heterogeneous channel conditions and that an outage probability requirement and a data rate requirement are given. We propose a new fair and minimal power allocation scheme where a relay node is selected to forward packets based on thresholds for channel conditions of relay nodes and the selected relay node uses an adaptive power control to meet the data rate requirement. The individual threshold values of relay nodes in the relay selection are determined based on the following three criteria:
i) the average amounts of power consumption at relay nodes are all equal, ii) given outage probability and data rate requirements are guaranteed to support QoS, and iii) the average total power consumption at all relay nodes is minimized.
To determine threshold values for relay nodes we first mathematically model the proposed scheme and derive the average power consumption of each relay node using the proposed scheme. We then formulate an optimization problem to determine the threshold values that satisfy the above-mentioned three criteria. To solve the optimization problem, we rigorously analyze the performance of the proposed scheme, and show that the threshold values can be uniquely determined for any given feasible criteria. Numerical and simulation results are provided to demonstrate various properties and the benefits of the proposed scheme.
In Chapter 3, we consider a wireless relay-aided Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) network, where there are a Base Station (BS), multiple Relay Stations (RSs) and Mobile Stations (MSs). we assume that individual MS is already allocated to its serving sector which is served by BS directly or through RSs. To maximize the total sum of utility functions of average packet delays of MSs, we first consider queue dynamics of MSs and estimate expected average packet delays. And then, we formulate an optimization problem to maximize delay utility under some resource allocation constraints. To solve the optimization problem, we propose a cross-layer and semi-distributed subchannel and service rate allocation scheme, where RSs participate in resource allocation procedure to maximize delay utility and to reduce feedback overheads. Simulation results show the performance benefits of our proposed scheme.
무선네트워크에서 무선서비스에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라
더욱 빠르고 안정적으로 서비스를 제공하기 위한 많은 기술적 발전이
이루어졌다. 특히 무선네트워크에서 시간에 따라 수신신호가 변화하는
페이딩 현상이나 거리에 따라 신호가 감쇠하는 현상을 극복하여 보다
빠르고 안정적으로 서비스를 제공하기 위한 기술적 발전이
두드러졌다. 무선 릴레이 네트워크는 중계노드를 통하여 신호를
전송함으로써 보다 빠르고 사용자가 원하는 서비스를 제공할 수
있기 때문에 무선 릴레이 네트워크에 대한 많은 관심과 연구가
수행되었다.
한편, 무선네트워크의 무선자원은 한정적이고 제한적인 특성을 나타낸다.
보다 빠른 서비스나 사용자가 요구하는 서비스 (QoS)를 제공하기 위해서는
이러한 한정적인 무선자원을 사용자에게 효율적으로 할당해야한다.
하지만 효율적인 무선자원 할당은 사용자의 무선채널이나 queue의 길이와
같은 정보를 통하여 이루어지는데 이러한 정보를 획득하기 위해서는 한정된
무선자원을 소모해야하는 overhead가 발생한다. 따라서 본 논문에서는
무선자원 할당에 필요한 정보 획득에 소모되는 무선자원의 낭비를 줄이면서
효율적인 무선자원 할당에 관하여 연구하였다.
제 2장에서는 한쌍의 송신노드와 수신노드 그리고 다수의 중계노드로
구성된 무선 릴레이 네트워크에서 중계노드들 간의 서로 다른 특성을
보이는 채널 환경을 고려하여 중계노드들이 소모하는 power 할당에 관하여
연구하였다. 한정된 battery로 동작하는 중계노드의 경우 중계노드마다
소모하는 power가 다르면 공평하지 않게 power를 소모함으로써 네트워크의
수명이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 이에 본 연구에서는 사용자가
요구하는 전송속도와 데이터가 전송되지 않는 outage probability
requirement를 만족하면서 중계노드들이 소모하는 power를 공평하고
최소화하기 위한 방안에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 각 중계 노드들이
서로 다른 threshold로 동작하는 threshold 기반의 power 할당 방법을
제안하였다. 그리고 이러한 threshold의 유일한 존재성에 대해서도
엄밀한 분석을 통하여 증명하였다. 그리고 모든 중계노드들이 동일한
threshold를 갖는 무선릴레이 네트워크와의 비교를 통하여 성능을 분석하였다.
사용자가 요구하는 다양한 전송속도와 outage probability requirement 환경에서
실험을 수행하였고 본 논문에서 제안된 방법의 무선 릴레이 네트워크가
기존의 릴레이 네트워크보다 항상 오랫동안 네트워크가 지속되는 것을
확인할 수 있었다.
제 3장에서는 한 개의 Base Station (BS), 다수의 Relay
Station (RS)와 Mobile Station (MS)로 구성되어 있고 OFDMA로
동작하는 무선 릴레이 네트워크에서 연구하였다. 각 MS는 위치에
따라서 BS로 직접 데이터를 전송받거나 RS를 통하여 데이터가
전송되도록 설정되어 있고, 서로 이웃하지 않은 RS는 동시에
데이터를 전송하는 네트워크 환경을 가정하였다. 스마트폰과 같은
무선기기의 사용자가 증가하고 이러한 무선기기를 활용한 실시간
스포츠 중계와 같은 실시간 서비스에 대한 수요가 증가함에 따라서
사용자의 서비스에 대한 delay 관련 서비스에 대한 관심이 증대되고
있다. 따라서 본 연구에서는 사용자들의 패킷 delay utility 합을
최소화하기 위하여 사용자들의 채널정보와 queue의 길이를 동시에
고려하여 무선자원을 할당하는 cross-layer 무선자원 할당에 대한
방법을 제안하였다. 또한 무선자원 할당에 필요한 정보를 획득하는데
필요한 overhead를 줄이기 위하여 RS도 무선자원할당에 참여하는
semi-distributed된 무선자원할당에 대한 방법도 연구하였다. 이는
패킷 도착 비율이나 MS의 수와 같은 다양한 환경에서 throughtput
maximization 방법과 round robin 방법과의 비교를 통하여
제안된 방법이 더 좋은 delay 성능을 보인다는 것을 확인하였다.
