With the increase in data traffic by a new generation of wireless devices, mobile users expect high data rate similar to a wired broadband network regardless of indoor or outdoor environments. Although wireless communication technologies have been evolved rapidly in order to meet high data rate with high level of service quality via MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), carrier aggregation, multi-cell coordination, etc, it is expected that the demand of mobile users has surpassed it and is continuing to grow more rapidly. In addition, increasing data rate by increasing bandwidth and/or improving radio access technology (RAT) has a natural limitation due to limited radio resources. Therefore, improving reuse of radio resources is an attractive evolution for increasing spectral efficiency. The most promising way to increase reuse of radio resource is densifying the network with low-power small cells. In addition to a well-planned high-power macrocell, low power nodes such as picocell, femtocell, and relay are implemented throughout a macrocell area. These types of deployment are called heterogeneous networks (HetNet). Heterogeneous network can offer substantial increase in data rate by offloading traffic from the macrocell to the small cell with fully reused frequence resources, which results in improving spectral efficiency per unit area (bps/Hz/$m^2$). However, a transmit power difference between high-power and low-power cells is large enough to suffer severe interference between different cells. In addition, since the cell with the strongest received signal strength is generally selected as a serving cell, the number of users connected to the low-power cells is much smaller than that for the high-power cells due to large transmit power difference, which reduces cell splitting gain in heterogeneous network. In this dissertation, therefore, radio efficiency enhancement schemes for the heterogeneous network are investigated.
Firstly, a cell selection scheme for interference coordination in heterogeneous network with range expansion is investigated. To encourage data offloading, coverage of picocell is virtually expanded by adding a positive bias to received signal strength of picocell in cell selection process. Since the offloaded user may not be served by the cell with the strongest received signal strength due to the additive bias, interference coordination is required to protect offloaded users from cross-tier interference. Recently, utilizing blanked subframe (BSF), where the macrocell transmit only control signal during BSF, is considered as a baseline solution for interference mitigation in heterogeneous network with range expansion. Since macrocell cannot transmit any data during BSFs, amount of BSF becomes a key parameter to determine performance, such as average user rate, outage probability. Therefore, a cell selection scheme based on outage probability of target cell with consideration of BSF ratio is proposed, where the user selects its serving cell which might be expected to give the lowest outage probability with given BSF ratio. Numerical results show that performance of proposed cell selection scheme can reduce outage probability as the BSF ratio.
Secondly, feedback reduction scheme via network coding in heterogeneous network is investigated. For the efficacy of radio resource management in downlink wireless relay networks, the channel quality indicator (CQI) between a mobile station and a relay station should be fed back from the relay station to its base station, at the cost of additional feedback overhead. Therefore, the amount of feedback overhead has to be reduced for achieving maximum advantageous of relay network. Hence, an efficient feedback scheme based on network coding between a pilot sequence and the CQI of the link between mobile station and relay station is proposed. Through the proposed feedback scheme, the base station can have both CQIs of the link between mobile station and relay station and that of the link between relay station and base station without overhead. Numerical results reveal that the proposed CQI reporting scheme has as good feedback performance as conventional one which generally requires additional feedback burden.
스마트폰, 테블릿 PC와 같은 새로운 모바일 기기들의 등장으로 인해 데이터 트래픽양의 기하급수적인 증가와 함께, 고성능 모바일 기기를 사용하는 사용자들이 크게 증가하고 있다. 이러한 사용자들은 실내, 실외 모두에서 가정용 유선 인터넷 수준의 높은 데이터 전송률을 갖는 모바일 환경을 기대하고 있어 보다 높은 수준의 데이터 전송률이 필요하다. 현재 이동통신 환경은 이와 같은 사용자의 고속, 고품질의 서비스를 제공하기 위해 WCDMA, WiBro, HSDPA, LTE 등과 같은 새로운 시스템과 MIMO, 주파수 집적화 (carrier aggregation), 간섭 완화를 위한 셀간 협력 통신 등의 신 기술들이 접목하여 빠르게 발전하고 있다. 하지만, 모바일 사용자들의 요구 및 기대치는 이미 현재의 이동통신 시스템 한계치에 근접하고 있으며, 지금도 계속 빠르게 증가하고 있다. 하지만 지금까지의 주파수 대역 확장 또는 새로운 시스템으로의 업그레이드 등과 같은 방식의 기술 발전은 이미 포화 상태에 이른 무선 주파수 자원으로 사용자의 요구를 만족시키는데 한계가 있기 때문에, 기존의 주파수 자원을 보다 적극적으로 활용하는 새로운 접근방식이 필요하다. 이를 위해 최근에는, 보다 많은 소형 기지국의 설치로 인해 사용자와 기지국간의 거리를 줄여 채널 품질을 향상시킴과 동시에 주파수 재사용률 최대화를 위한 저전력 소형셀에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 이기종 네트워크라고 한다. 이러한 이기종 네트워크에서는 소형 셀들이 대형 매크로셀의 주파수 자원을 지역적으로 구분하여 재활용할 수 있기 때문에, 단위 면적 당 주파수 효율을 증가시킬 수 있다. 하지만, 매크로셀과 소형셀간의 전력의 차이가 매우 크기 때문에 소형셀의 실제 커버리지가 매우 축소되는 문제점과 높은 전력 차이로 인한 강한 간섭이 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 또한, 중앙 기지국에서 소형셀들을 제어 및 관리하기 위해서는 이기종 네트워크에서 새롭게 발생하는 채널들에 대한 채널 정보들을 전달 해주어야 하는데, 이러한 채널 품질 정보 전달을 위한 추가적인 오버헤드 발생 문제 해결이 필요하다. 따라서, 본 학위 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 이기종 네트워크에서 주파수 효율성 향상을 위한 기법에 관한 연구를 다루고자 한다.
첫 번째로, 셀 반경 확장 및 간섭 제어를 위한 셀간 협력 기술을 활용하는 이기종 네트워크에서 사용자의 성능 최적화를 위한 셀 선택 기술을 제안하였다. 일반적으로 사용자는 수신 신호의 크기에 기반하여 자신이 서비스 받을 셀을 선택한다. 하지만 앞서 언급하였듯이, 이기종 네트워크 환경에서는 매크로셀과 소형셀간의 전력 차이가 매우 크기 때문에, 실제로 소형셀을 선택하는 사용자는 제한될 수 밖에 없다. 따라서, 소형셀의 수신신호 크기에 가상의 바이어스 값을 더해주어 소형셀 선택 확률을 증가시키는 기술인 셀 반경 확장 기술이 도입되었다. 그러나 이때 소형셀을 선택한 사용자의 경우 매크로셀로부터의 간섭이 매우 크기 때문에 실제 통신이 불가능하게 된다. 이를 해결하기 위해, 매크로셀에서 일정 시간 동안 제어 신호 외의 아무런 데이터를 전송하지 않는 방식의 협력 기술이 필요하다. 따라서, 매크로셀이 데이터 전송을 하지 않는 유휴시간 동안 소형셀들은 간섭없이 통신이 가능하게 된다. 하지만, 동시에 이러한 매크로셀이 데이터 전송을 하지 않는 유휴시간에 따라서 소형셀 사용자의 데이터 전송 기회가 변하게 된다. 반대로, 매크로셀 사용자의 경우에는 해당 유휴시간 동안 데이터 전송을 할 수 없기 때문에 이러한 유휴시간 값이 사용자의 성능을 결정하는데 매우 중요하다. 본 연구에서는 이러한 유휴시간을 반영하여 자신의 서비스 셀을 선택할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 사용자의 서비스 품질을 측정하는데 활용되는 outage 확률을 바이어스 값 및 유휴시간의 함수로 유도하여, 주어진 바이어스 및 유휴시간 값을 이용하여 사용자가 매크로셀과 소형셀 각각의 outage 확률을 계산 한 후, 보다 낮은 outage 확률을 얻을 수 있는 셀을 선택한다. 따라서, 주어진 환경에 따라 사용자가 능동적으로 자신의 셀을 선택 할 수 있도록 함으로써, 사용자의 서비스 품질을 향상시키는 결과를 가져왔다.
두 번째로, 중계기를 활용하는 이기종 네트워크에서 중계 채널의 품질 정보를 별도의 오버헤드 없이 기지국에 전달할 수 있는 채널 품질 전달 기술을 제안하였다. 일반적으로 사용자는 기지국의 셀 반경 범위를 벗어나 있을 경우나, 셀 반경 안에 위치하지만 채널 품질이 좋지 않아 서비스를 받을 수 없는 음영지역의 경우 중계기를 활용한다. 따라서, 일반적으로 기지국은 중계기와 단말기간의 채널 품질을 직접 알 수 없다. 하지만, 기지국에서 중계기 선택 및 데이터 전송률 결정 등, 사용자의 종단간 품질 제어를 위해서는 중계기와 단말기간의 채널 품질 정보가 필요하다. 따라서 중계기는 측정된 채널 품질 정보를 별도의 무선 자원을 활용하여 기지국에게 전달하여야 한다. 본 연구에서는 일련의 비트열로 이루어진 채널 품질 및 파일럿 신호를 네트워크 코딩하여 기지국으로 추가적인 무선 자원 사용없이 전달하는 기법을 제안하였다. 일반적으로, 기지국에서는 중계기와의 채널 품질 측정을 위해 별도로 정해진 파일럿 신호를 활용한다. 또한 채널 품질 정보는 각 품질 구간별 시스템 고유의 비트열을 사용하여 기지국에게 전달한다. 따라서, 기지국은 파일럿 신호 및 구간별 채널 품질 비트열을 이미 알고 있기 때문에, 중계기에서 파일럿 신호와 중계기와 단말기간의 채널 품질 정보를 네트워크 코딩하여 전달 하여도 기지국에서는 각각의 정보를 분리해서 수신할 수 있게 된다. 다시 말해, 기지국에서는 수신신호와 이미 알고 있는 신호들간의 상관관계를 이용하여 해당 신호를 획득 할 수 있다. 항시 전달하는 파일럿 신호에 중계기와 단말기간의 채널 품질 정보를 함께 전달함으로써, 채널 품질 전달을 위한 별도의 무선 자원 없이 중계기와 단말기간의 채널 정보를 전달 할 수 있음을 보였다.
