A significant advance in wireless communication technologies causes the emergence of the fourth-generation (4G) cellular communication systems, such as IEEE 802.16m and 3GPP LTE-Advanced. As the 4G systems provide a higher data rate than the second-generation (2G) and the third-generation (3G) systems, the usage pattern of mobile users in the 4G systems is changed from voice service to data service, such as high-quality multimedia streaming and broadband internet access over wireless networks. Furthermore, the amount of mobile traffic is exponentially growing because of the widespread distribution of intelligent mobile devices, which are called smart phones. Therefore, it is evident that the current 4G systems will be faced with a limitation with respect to system capacity in the near future. On the contrary, the demand of mobile users for seeking better quality of service will continue to increase. In consequence, such demand of mobile users will accelerate the development of the beyond 4G or the fifth-generation (5G) cellular communication systems.
In order to improve the performance of the 4G systems, many technologies are considered, for example, cooperative transmission and reception, advanced MIMO techniques, and femtocell networks. Among these technologies, we focus on the cooperative communication that aims at reducing intercell interference. Conventionally, a number of studies that deal with the cooperation of base stations (BSs) have been proposed and made a valuable contribution towards the performance improvement of the 4G systems. In these studies, a frequency reuse of one, in which all BSs share common radio resources for communication, is adopted. Therefore, the overall spectral efficiency is increased while the performance of cell-edge users is degraded, because they receive strong interference from neighboring cells. To solve such an intercell interference problem, we consider the cooperation of mobile users, or the direct communication between them, to be an important technique. In consequence, we develop a user-cooperative interference management scheme for the next-generation cellular communication systems with the following issues.
First, we propose the concept of the user-cooperative interference management scheme to mitigate downlink intercell interference. The key idea of the proposed scheme is that a helper node transmits a cooperation signal to a partner node that receives interference from the serving BS of the helper node. Then, the partner node improves the quality of its desired signal with the assistance of the cooperation signal. On the basis of this idea, we develop communication protocols that make the proposed scheme feasible and analyze the performance of the proposed scheme with respect to outage probability, which is defined as the probability that a user fails to achieve a given spectral efficiency. The result of performance evaluation shows that the proposed scheme outperforms a conventional scheme, which simply uses the cooperation of BSs, with respect to spectral efficiency and outage probability at the expense of the power consumption of the helper node.
Next, we consider the user-cooperative interference management scheme in a network MIMO system, in which a set of BSs form a cooperative cluster and perform the cooperative transmission by generating a beamforming matrix together. Accordingly, the interference among the BSs in the same cluster can be controlled. However, there still exists interference from the BSs in neighboring clusters. To improve the performance of the users in the network MIMO system, we propose a cell-clustering scheme whose aim is to increase the sum rate of the users by deciding which BSs cooperate with each other. Furthermore, we use the user-cooperative interference management scheme to mitigate the interference from the BSs in neighboring clusters. The result of performance evaluation explains that the cooperative transmission of the BSs in a cluster largely increases the sum rate of the users while the user-cooperative interference management scheme is efficient to improve the performance of cell-edge users, although the joint use of these two schemes require high complexity and a large amount of control information, such as channel state information and a precoding matrix that is used by a neighboring cluster.
Finally, we develop the user-cooperative interference management scheme that is applicable to multicast transmission. Herein, we consider the multicast channel with interference, in which two BSs provide different multicast services to two multicast groups of users on the same radio resources. So, the multicast services are interfered with each other. In order to reduce such interference, we allow the users in the different multicast groups generate a cooperative cluster and select a user whose role is to transmit its multicast signal to the other users in the cluster. By receiving the forwarded signal, the users improve the quality of their multicast signals. In particular, we propose a method for selecting a helper node in a cluster without generating a large signaling overhead. The result of performance evaluation shows that the proposed scheme outperforms a conventional multicast scheme without the cooperation of the users with respect to success probability. Furthermore, we find that the simplified helper node selection has a similar performance to the optimal selection that explicitly uses the channel gains among the users.
본 논문에서는 차세대 이동통신시스템의 성능 향상을 위한 사용자 협력 기반의 간섭 관리 기술을 제안하였다. 제안 기술은 동일한 무선 자원을 사용하는 두 단말이 서로 직접 통신을 수행하여 기지국으로부터 수신한 하향링크 간섭을 완화시킨다. 본 논문에서는 협력 신호를 전송하는 단말을 helper 노드, 협력 신호를 수신하는 단말을 partner 노드라고 명명한다. 제안 기술은 협력 신호의 종류에 따라서 두 가지로 분류된다. 첫째, 협력 신호가 helper 노드의 신호를 포함하는 경우를 신호 전달 기법이라고 한다. 신호 전달 기법에서는 partner 노드가 연속 간섭 제거 기술을 수행하여 자신의 신호에 대한 품질을 향상시킨다. 둘째, 협력 신호가 partner 노드의 신호를 포함하는 경우를 간섭 전달 기법이라고 한다. 간섭 전달 기법에서는 partner 노드가 자신의 신호에 대한 추가적인 SNR을 획득함으로써 이에 대한 품질을 향상시킨다. 제안 기술의 가장 큰 특징은 helper 노드가 자신의 기지국에 대한 목적 노드이면서 동시에 partner 노드에 대한 중계 노드의 역할을 수행한다는 점이다. 이는 기존의 중계 채널에서 연구된 협력 통신의 개념을 간섭 채널에서의 협력 통신으로 확장하였다는 측면에서 의미를 지닌다.
이러한 개념을 바탕으로 2장에서는 신호 전달 기법과 간섭 전달 기법에 대한 구체적인 통신 프로토콜을 제안하였다. 또한, helper 노드의 전력 소모를 최소화하기 위해서 제안한 두 가지 기법 중 하나를 선택하는 방법을 제안하였고, 최적화 문제를 정립하여 기지국과 helper 노드가 소모하는 전체 전력을 최소화하는 전력 할당 방법을 제안하였다. 모의 실험 결과, 제안 기술은 기존에 연구된 기지국 간 전력 제어 기반의 간섭 관리 기술 대비 주파수 사용 효율 및 전체 전력 소모 측면에서 향상된 성능을 보임을 확인하였다.
3장에서는 신호 전달 기법과 간섭 전달 기법에 대한 outage 확률을 분석하였다. 여기서 outage 확률이란 단말이 주어진 주파수 사용 효율을 달성하지 못할 확률을 말한다. 분석을 위해서 무선 채널은 Rayleigh 페이딩을 겪는다고 가정하였고, Rayleigh 분포를 갖는 랜덤 변수의 확률 밀도 함수를 이용하여 helper 노드와 partner 노드 각각이 경험하는 outage 확률을 유도하였다. 또한, 두 단말의 outage 확률 중 최대 outage 확률을 최소화시키는 전력 할당에 대한 최적화 문제를 정립하였고, 이에 대한 해를 제시하였다. 모의 실험 결과, 제안 기술은 기존 기술과 비교하여 outage 확률 측면에서 향상된 성능을 보이고, helper 노드가 협력 신호를 높은 전력으로 전송할수록 제안 기술의 성능 향상 정도가 증가함을 확인하였다.
4장에서는 다수의 기지국이 협력 전송을 수행하는 네트워크 MIMO 기술이 제안 기술과 결합되었을 때 어떠한 성능을 보이는가를 관찰하였다. 네트워크 MIMO 기술에서는 다수의 기지국이 클러스터를 형성하고 데이터 및 채널 정보를 공유하여 마치 하나의 기지국처럼 동작한다. 따라서 동일한 클러스터 내에서는 적절한 빔 형성 기법을 통해서 간섭을 제어할 수 있지만, 서로 다른 클러스터 사이에는 여전히 간섭이 존재한다. 이러한 상황에서 셀 전체 및 경계 사용자의 성능을 향상시키고자 모든 단말의 총 전송률을 최대화시키는 클러스터 형성 기법을 제안하였고, 이 때 발생하는 클러스터 사이의 간섭은 사용자 협력 기반의 간섭 관리 기술을 이용하여 제어하도록 하였다. 모의 실험 결과, 제안한 클러스터 형성 기법은 기존 기술 대비 셀 전체 사용자의 성능을 향상시키고, 이울러 사용자 협력 기반의 간섭 관리 기술이 함께 사용될 경우 셀 경계 사용자의 성능이 크게 향상되는 것을 확인하였다.
5장에서는 서로 다른 두 개의 멀티캐스트 서비스가 동일한 무선 자원을 통해서 이루어지는 환경에 본 논문에서 제안한 사용자 협력 기반의 간섭 관리 기술을 적용하였다. 이를 위해서 서로 다른 멀티캐스트 그룹에 속한 단말들이 하나의 클러스터를 형성하고 그 중 하나의 단말을 선택하여 helper 노드의 역할을 수행하도록 하였다. 여기서 성능 향상에 적합한 helper 노드를 선택하기 위해서 기지국과 단말 사이의 채널 이득 및 특정 단말이 주변의 다른 단말로부터 수신한 NACK 신호의 수를 종합적으로 고려하였다. 이렇게 helper 노드를 선택하고 신호 전달 기법을 적용함으로써 클러스터에 속한 단말들은 최대 비율 결합 및 연속 간섭 제거 기술을 수행하여 멀티캐스트 신호의 품질을 향상시킨다. 모의 실험 결과, 제안 기술을 멀티캐스트 서비스에 적용할 경우 사용자 협력을 고려하지 않은 기존 기술 대비 멀티캐스트 신호의 수신 성공 확률이 향상되는 것을 확인하였다.
이와 같이 본 논문에서는 사용자 협력 기반의 간섭 관리 기술에 대한 기본 개념을 제안하고 성능 분석을 수행하였다. 또한, 제안 기술과 네트워크 MIMO 기술 및 멀티캐스트 서비스와의 결합에 대해서 연구하였다. 제안 기술은 근본적으로 단말 간 직접 통신이 가능한 환경을 고려하고 있다. 최근 IEEE 및 3GPP와 같은 표준화 단체에서는 단말 간 직접 통신을 차세대 이동통신시스템의 핵심 기술 중 하나로 선정하여 이에 대한 기술 표준화를 진행하고 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 사용자 협력 기반의 간섭 관리 기술은 차세대 이동통신시스템에서 발생하는 간섭 문제를 효율적으로 해결함으로써 시스템의 주파수 사용 효율을 증가시키고 사용자에게 보다 나은 품질의 서비스를 제공하는데 기여할 것으로 기대한다.
