Recently, the implementation of fourth-generation (4G) cellular systems and the emergence of various types of wireless services have significantly increased the frequency of equipment usage and wireless data usage. Because frequency resources are limited but the demand for wireless bandwidth is increasing, it is important to utilize frequency resources efficiently and various studies are in progress. In particular, for upcoming fifth-generation (5G) cellular systems, wireless transmission techniques, such as small cells, interference alignment, beamforming, and cooperative communications, are being considered and the common element in next-generation technologies is the goal of reducing or avoiding signal interference to maximize capacity. Interference management is the key solution for efficient spectrum utilization, and therefore, the characterization of interference is very important.
In this dissertation, the aggregate received interference for wireless networks is modeled statistically, and it is applied to a theoretical analysis of system performance due to interference in heterogeneous wireless networks. The applicable scenarios are the environments, such as ad hoc networks, cognitive radio networks, and heterogeneous systems, that cannot control interference in a centralized way. Because the geometric properties and the statistical characteristics of a wireless propagation channel mainly determine the distribution of the received interference for these uncontrollable-interference scenarios, the aggregate interference is characterized under general geometric and channel environments. For evaluating system performance due to interference, the coexistence scenario of two cellular systems in adjacent bands is used. Because spectrum bands are packed tightly to minimize the unused spectrum between bands, adjacent channel interference (ACI) is considered important. After analyzing system performance, an interference management method for dynamic spectrum allocation (DSA) is suggested.
First, the statistical modeling of the aggregate received signal in wireless networks is proposed using a homogenous Poisson point process (PPP) or uniform distribution of the interferer generation in a composite path loss and shadowing channel. Although direct calculation of the probability density function (PDF) of the aggregate interference was proposed using a Shot noise model a few decades ago, it is not practical since it is rarely obtainable in a closed form as an inverse Fourier transform of the characteristic function of the interference. As approximation methods, on the other hand, well-known distributions, such as Gaussian, lognormal, and gamma distribution, have been suggested to fit the PDF of the accumulated signal for various situations. Recently, a lognormal distribution has been used for approximating well where interferers exist near a victim receiver and for modeling interference in cognitive radio networks. That research determined that the lognormal approximation results in a large error for situations where interferers are located too near the victim, so a weighted sum of lognormals-based approximation (WSLA) is suggested. This method fits the PDF of the interference into a weighted sum of lognormal distributions by dividing an annular region where interferers are located in two subregions and applying lognormal approximation for each subregion. Simulation results show that it outperforms the lognormal approximation.
Second, the system performance due to the adjacent channel interference (ACI) among coexisting terminal stations for two heterogeneous cellular systems is analyzed with the outage probability. Outage probability is defined as the probability that signal-to-interference ratio (SIR) at a receiver is below the SIR threshold and is obtained directly from the cumulative distribution function (CDF) of the SIR. When there is only one interferer, it is shown that the exact form of the outage probability can be obtained. For more interferers, it is also shown that the outage probability is derived in a closed form with interference modeling by the lognormal approximation and the proposed WSLA, respectively. Through simulations, the performance is evaluated and it is demonstrated that the ACI largely influences the victim system although the coexisting terminal stations use a different frequency band.
Finally, a Block Edge Mask (BEM), which uses a transmitter spectrum mask at the edge of a contiguous licensed block of spectrum, is studied as a regulatory tool for managing the ACI. By defining the out-of-block (OOB) emission limit of the BEM, sufficient protection from ACI can be provided to any anticipated receiving system. The OOB baseline limit of the BEM for a DSA band is analytically calculated using the outage probabilities previously derived, and it is shown that to offer a practical protection limit from aggregate interference, the analytical method can calculate faster than the Monte-Carlo simulation approach. Additionally, ACI between digital television broadcasting system and 3GPP LTE system is analyzed according to a BEM and the size of guard band.
From modeling of the aggregate interference to the system performance analysis and interference management, studies of signal interference for heterogeneous wireless networks are suggested in various respects, and can be used in various communication techniques that deal with interference for ultimate spectrum utilization.
최근, 4세대 (4G) 셀룰러 시스템의 구축과 다양한 형태의 무선 서비스들이 출현하면서 단말기기의 이용빈도 및 무선 데이터의 사용량이 급증하고 있다. 무선 대역폭에 대한 이러한 수요에 비해 제공되는 주파수 자원은 한계가 있기 때문에 부족한 주파수를 효율적으로 이용하는 것이 중요하고, 이를 위한 연구가 현재까지 활발히 이루어져 왔다. 그 중, 앞으로 무선 네트워크의 궁극적 형태는 다양한 진화된 무선 시스템들이 밀집되어 사용자들이 특정 시스템이나 서비스에 구애받지 않고 혼용하여 사용하는 이기종 네트워크 망이 될 것으로 예측되고 있고, 실제로 많은 연구들이 미래의 궁극적 무선 환경으로 이를 제시하고 있다. 그러나 이러한 이기종 네트워크에서는 시간과 주파수 영역에서의 밀도 높은 자원 사용으로 인하여 결과적으로 간섭이 증가할 수 밖에 없고, 이 간섭은 역으로 무선 시스템의 용량을 제한하는 요인이 되어 결국 주파수 효율성을 떨어뜨리게 된다. 특히, 4G 이후의 5세대 (5G) 셀룰러 시스템에서는 스몰 셀 (small cell), 간섭 정렬 (interference alignment), 빔포밍, 협력 통신 등의 여러 기술들이 고려되는 가운데, 그 공통점으로 시스템 용량의 극대화를 위해 간섭을 줄이거나 회피하고자 한다는 것이다. 이는 결국 간섭의 관리가 차세대 무선 네트워크 기술의 핵심이라는 것을 의미하므로, 이를 위한 간섭의 특성 분석 및 시스템 영향 분석이 필요하다.
본 논문에서는 먼저, 무선 네트워크 상에서 다수의 간섭원들이 송신할 때 누적 수신 간섭 (aggregate received interference)의 통계적 특성을 정확히 모사하고, 이를 이용하여 누적 수신 간섭이 시스템의 성능에 미치는 영향을 수학적으로 제시한다. 이 때의 환경은 시스템 내에서 간섭을 중앙집권적으로 (centralized) 조절할 수 있는 환경이 아닌 이기종 무선 네트워크 시스템들의 공존 환경으로써, 간섭원들의 공간 분포와 무선 채널의 특성만을 고려하여 이들의 분포에 따른 누적 수신 간섭의 특성을 유도한다. 그리고 유도한 누적 수신 간섭의 모델을 이용하여 이기종 시스템 간 간섭의 영향을 수학적으로 제시한다. 특히, 단말기의 이동성과 주파수 필터의 성능 한계 및 밀집 환경의 증가로 인해 단말기들 간의 간섭을 고려한다. 그리고 앞으로 도입될 것으로 예상되는 동적 스펙트럼 할당 대역에서의 간섭 관리를 위한 기술적 기준을 알아본다.
첫 번째로, 무선 네트워크 환경에서 분포하는 인접한 간섭원들로부터의 누적 수신 간섭의 통계적 모델링에 대한 연구는 다음과 같다. 간섭원들의 분포는 수신기를 기준으로 내부 반지름 $\epsilon$ 과 외부 반지름 $\phi$를 가지는 고리 형태 (annulus)의 평면 내에서 동질의 푸아송 포인트 프로세스 (Homogeneous Poisson point process: PPP)나 이항 포인트 프로세스 (Binomial point process)를 가진다고 가정하고, 전파 감쇄 (path loss) 및 쉐도잉 (shadowing)의 복합 채널 모델이 고려될 때, 누적 수신 간섭의 확률 밀도 함수는 그 특성 함수 (characteristic function)의 역푸리에 변환 (inverse Fourier transform)으로 나타낼 수 있다. 그러나 그 결과는 일반적으로 닫힌꼴 (closed-form)의 수식으로 얻기 어려운 복잡한 적분 함수이기 때문에 직접적인 활용이 쉽지 않다. 최근, 로그 정규 분포 (lognormal distribution)가 이를 정확히 근사화하는 것으로 알려져 인지 라디오 네트워크 (cognitive radio networks)를 비롯한 여러 분야에서 이 로그 정규 근사화 모델을 사용해왔으나, 본 연구에서 간섭원들의 분포 범위인 고리 영역의 내부 반지름 대비 외부 반지름의 비율인 $k\buildrel \Delta \over = \phi /\varepsilon$ 이 클수록 ($ \ge 10$) 오차가 커짐을 확인하여, 로그 정규 가중합 기반 근사화 (weighted sum of lognormals-based approximation: WSLA) 방식을 제안한다. 이 방식은 고리 영역의 $\epsilon$ 과 $\phi$ 사이에 임의의 중간 반지름 $\tau$ 를 정하고 이 반지름을 가지는 원을 기준으로 고리 영역을 두 영역으로 나누어, 각 영역 별로 로그 정규 근사화를 적용하여 $k$ 를 크게 줄임으로써 로그 정규 근사화의 정확도를 높이는 원리를 이용한 것이다. 최종 누적 수신 간섭의 확률 밀도 함수는 각 영역 별로 로그 정규 근사화를 적용한 확률 밀도 함수의 가중합으로 유도하여, 결과적으로 간섭원들의 분포 범위에 관계없이 일정한 정확도를 가지게 된다. 동일한 간섭 분포에 대해 시뮬레이션 결과와 두 방식을 비교함으로써 제안한 WSLA 가 기존의 로그 정규 근사화 방식에 비해 더 정확하고 $k$ 의 영향 없이 모델링될 수 있음을 입증한다.
두 번째로, 로그 정규 근사화 및 제안한 WSLA를 이용하여 단말기들 간의 공존 환경에서 인접 채널 간섭의 성능으로 인한 시스템 아웃티지 (outage) 확률을 닫힌꼴의 수식으로 제시한다. 수신 단말기에서 신호 대 간섭비 (signal-to-interference ratio: SIR)에 관해 정의된 아웃티지 확률은 간섭원의 개수가 한 개일 때는 닫힌꼴 유도가 가능하고 이를 제시한다. 그리고 다수의 간섭원이 존재할 때, 간섭의 확률 밀도 함수를 로그 정규 근사화 혹은 WSLA를 사용하여 두 경우 모두에 대해 아웃티지 확률을 닫힌꼴의 수식으로 유도한다. 이 때, 900 MHz에서 인접한 서로 다른 두 LTE 시스템의 단말 간 공존 환경을 고려하여 아웃티지 확률의 시뮬레이션 결과와 수식 유도 결과를 비교하였고, 두 경우 모두 수식과 시뮬레이션 결과가 일치함을 입증한다.
마지막으로, 동적 스펙트럼 할당 대역에서 간섭 관리 기준 설정을 위한 대역 경계 마스크(block edge mask: BEM) 방식의 설정에 관해 알아본다. 시스템 성능 분석을 통해 얻어진 수식을 이용하여 수학적으로 대역 외 방출 (Out-of-band emission)을 유도하여 시뮬레이션 결과와 비교한다. 그리고 BEM의 기준치 설정에 따른 간섭 영향을 알아보기 위해 디지털 방송 전환 여유 대역에 3GPP LTE 시스템의 사용을 가정하여, 이종 시스템인 디지털 지상파 텔레비전 방송 서비스와 LTE 이동통신 서비스의 경계 대역에서의 BEM과 보호 대역의 설정에 따른 영향을 알아본다.
본 논문에서는 누적 간섭의 모델링에서부터 시스템 성능 분석, 그리고 간섭 관리까지 다양한 측면에서의 간섭 분석이 이기종 무선 네트워크 환경을 고려하여 시뮬레이션과 수학적 유도를 통해 제시되었다. 간섭 분포의 모델링은 이 외에 인지 무선, 센서 네트워크 등에서 간편하고 유용하게 활용될 수 있고, 앞으로 도입될 동적 스펙트럼 할당 주파수 정책에서 필수적인 간섭 관리의 기술적 해법 또한 본 논문의 결과를 통해 제시할 수 있으리라 기대한다.
