Wireless communication networks have been evolved rapidly in order to meet high data rate (100 Mbps for high mobility and 1 Gbps for nomadic and low mobility), and several technologies such as MIMO, multi-hop relay, multi-ell coordination, self organization network, etc. are considered for 4G systems such as LTE-A and enhanced mobile WiMAX systems. However, performance degradation of cell edge by other cell interference and poor channel conditions still remains an important issue in wireless communications, so lots of attention to achieve cell edge performance has been made in future wireless networks. In this thesis, we investigate performance enhanced schemes of cell edge region in cooperative diversity networks adopting multi-cell coordination and cooperative relaying.
Firstly, a clustering approach to improve cell edge performance in multi-cell coordination networks is investigated. Through multi-cell coordination clustering, we can reduce co-channel interference, resulting in cell edge performance improvement. This thesis proposes a periodic frequency band rotation clustering scheme for joint transmissions in multi-cell configuration. Through mathematical interference analysis, we show that the inter-cluster interference can be reduced and cell edge data rate is improved over existing schemes.
Secondly, proportional fairness algorithm in intra-eNodeB CoMP is investigated. Applying CoMP by multi-cell coordination raises an issue of fairness among users in cells with and without coordination. In this thesis, we formulate an optimization problem and propose a resource block and power allocation algorithm with low complexity for fair competition among CoMP and non-CoMP user equipments (UEs) in intra-eNodeB CoMP. Simulation results reveal that the proposed algorithm provides a better fairness than existing algorithms, and a good tradeoff between average cell throughput and edge throughput.
Thirdly, we investigate performance of network coded relay transmission in cooperative wireless communication networks without direct link. In cooperative relay networks, network coding is adopted to achieve diversity gain and network performance improvement. But, for wireless networks with distributed antenna systems, network coding at a relay node (RN) may not always be applicable due to unreliable channel conditions. However, in cooperative networks with multiple RNs, performance improvement by diversity gain can be achieved using network coding at properly selected RNs under the channel conditions. In this thesis, we analyze outage probability and signalling overhead of multiple relay cooperative networks based on decode-and-forward (DF) strategy, whose effect on system performance can be shown through simulations. Also, it is shown that average channel capacity can be increased by network coded relaying under general cases of symmetric and asymmetric average signal to noise ratio of both source-relay and relay-destination links.
Last, we investigate the effect of combined network coding and power control based on network utility under wireless butterfly networks. Although it is well known that network coding improves network performances, it might not be always advantageous for a hostile wireless environment due to error propagation problem through relaying. Therefore, in this thesis, the crossover point for profit-and-loss of network coding and non-network coding according to wireless link quality is derived, and then we show that network utility in terms of spectral efficiency per power is improved, and average power consumption is reduced by adaptively applying relay mode control and power control, which is of bang-bang type with a threshold in wireless butterfly networks.
무선 통신 시스템은 현재 4G 시스템인 LTE-A와 enhanced WiBro 시스템을 기반으로 이동시 100Mbps 이상의 하향링크 데이터 율을 목표로 MIMO, 다중 홉 릴레이, 다중 셀 협력 전송, SON 등의 기술을 바탕으로 성능을 향상시키고 있다. 특히 4G 시스템으로 발전하면서도 셀 경계 부분에서의 성능 저하는 중요한 문제로 남아있다. 셀 경계 부분의 성능 저하는 전체 시스템의 성능 저하를 가져올 수 있기 때문에 최근 표준화 이슈에서도 중요한 부분을 차지하고 있다. 본 학위 논문에서는 협력 다이버시티 네트워크 기반에서 셀 경계 부분에서의 성능을 향상시키는 기법에 대해 다루고자 한다.
첫 번째로, 셀 경계 부분의 성능 향상을 목적으로 다중 셀 협력 전송을 위한 클러스터링 기법을 제안하였다. 일반적으로 클러스터링 방법은 고정 클러스터링 기법과 동적 클러스터링 기법으로 나눌 수 있다. 고정 클러스터링 기법은 정해진 협력 셀을 기반으로 이루어 지며 복잡도가 낮아 구현이 용이하지만 기존 셀 기반에서의 인접 셀 간섭과 같은 인접 클러스터 간섭으로 인해 성능 향상에 제한을 가져온다. 동적 클러스터링은 사용자의 채널 상태를 고려하여 협력 셀을 구성하기 때문에 성능 향상에 있어서는 우수하지만 중첩되는 클러스터에서의 자원 할당 복잡도가 커져 구현함에 있어서 어려움을 가진다. 본 연구에서는 고정 클러스터링 기반에서 인접 클러스터 간섭을 줄여 성능을 향상 시키는 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 미리 정해진 주파수 할당 패턴에 따라 각 섹터에 주기적 재할당을 통해 협력 셀을 재구성 함으로써 셀 경계 부분에서의 간섭을 감소시킨다. 이는 고정 클러스터링 기반이기 때문에 복잡도가 낮다는 장점도 가질 수 있다. 셀 경계 부분에서의 간섭 분석 결과는 기존 고정 클러스터링 보다 낮은 간섭량을 보였고 셀 경계 부분에서의 데이터 율을
향상시키는 결과는 가져왔다.
두 번째로, 다중 셀 협력 전송 하에서의 무선 자원 할당 기법을 연구하였다. 이는 정해진 협력 셀 (클러스터)에서 협력 전송을 지원받는 사용자와 하나의 셀에서만 지원받는 사용자간에 무선 자원에 대한 할당 기법을 말한다. 특히, 사용자간의 공평성은 사용자 각각의 데이터 율을 보장할 수 있는 척도 중의 하나이기 때문에 다중 셀 협력 전송 시스템에서 사용자간의 공평성은 중요한 이슈로 볼 수 있다. 본 연구에서는 협력 전송을 받는 사용자와 하나의 셀에서만 지원받는 사용자간의 공평한 경쟁을 기반으로 비례 공평성의 최적화 문제를 제시하고 이를 기반으로 하는 무선 자원 할당 방법을 소개하고 실제 구현 가능한 낮은 복잡도의 무선 자원 할당 (resource block과 power allocation) 방법을 제안하였다. 시뮬레이션 결과는 제안한 기법이 기존 기법보다 향상된 사용자간 공평성을 보였고 셀 경계 부분의 데이터 율 향상을 가져왔다.
세 번째로, 다중 릴레이를 이용한 협력 통신에서 소스와 기지국사이의 채널이 보장되지 않을 때 네트워크 코딩을 이용한 전송기법에 대한 성능을 살펴보았다. 일반적으로 네트워크 코딩을 적용한 협력 통신에서는 기지국에서 네트워크 코딩된 데이터를 디코딩하기 위해 소스와 기지국사이의 채널 (direct link)이 보장된다는 가정하에서 연구들이 이루어진다. 하지만 소스가 셀 경계부분에 위치할 경우 소스와 기지국사이의 채널이 pathloss나 deep fading에 의해 direct link는 항상 보장 될 수 없다. 이러한 경우에 네트워크 코딩을 적용했을 때 성능을 분석한 기존 연구가 없기 때문에 본 연구에서는 두 개의 소스와 여러 개의 릴레이가 존재하고 소스와 기지국사이의 채널이 보장되지 않는 환경에서 네트워크 코딩 기반의 전송을 하였을 때의 outage probability, average capacity, signaling overhead에 대한 성능을 분석했다. 분석 결과는 네트워크 코딩을 적용한 협력 전송은 CS 기반의 전송 기법 보다는 높은 outage probability의 결과를 보이나 릴레이와 기지국사이의 채널이 좋을 수록 추가적인 네트워크 코딩 이득으로 outage probability가 낮아짐을 볼 수 있다. 또한 average capacity는 네트워크 코딩 전송이 낮은 signaling overhead를 가지기 때문에 전체적으로 높은 성능을 보임을 알 수 있었다. 이는 기존 연구와 달리 소스와 기지국사이의 채널을 보장할 수 없을 경우에도 네트워크 코딩 전송이 시스템 성능 향상에 도움을 줄 수 있다는 것을 제시한다.
마지막으로, wireless butterfly network에서 효율적인 릴레이 전송에 관한 연구를 살펴보았다. 소스와 데스티네이션간의 채널 상태에 따라 네트워크 코딩기반의 전송기법과 네트워크 코딩을 적용하지 않는 경우의 전송기법에 대한 시스템 유틸리티를 산출하여 릴레이 전송 기법을 선택하고 그에 따른 전력 할당 기법을 통해 시스템 유틸리티를 최대화하는 기법을 제안하였다. 시뮬레이션 결과 시스템 유틸리티를 고려한 릴레이 전송기법과 전력할당을 함으로써 전체적인 시스템 유틸리티 증가와 소비되는 전력이 감소하는 효과를 가져왔다.
