Recently, there have been increasing concerns on energy efficiency in wireless networks from different perspectives such as environmental concern and energy price concern. In detail, there is significant effort on reducing potential harms to the environment caused by CO2 emission. Especially, energy consumption in wireless networks is expected to account for almost 50% in information and communication (ICT) in 2020. Moreover, depletion of non-renewable energy resources is expected to induce the increase of energy price, which also affects operational expenditure (OPEX) of network service provider. Therefore, it has recently motivated studies of energy-efficient mobile communications.
In multicast transmission technology, considered as one of the promising transmission technologies in wireless networks, same content is delivered to multiple users. Hence, it is considered as a key technology for supporting growing demand for multimedia application over wireless networks. Specifically, since the multicast transmission increases transmission efficiency without transmitting redundant data, there have been great attentions from both academia and industries to multicast communication technology. Accordingly, multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) standardized in various groups of Third Generation Partnership Project (3GPP). Hence, there are great interests to launch MBMS in industries. For instance, in 2013, Verizon was the first operator to announce that it will launch enhanced MBMS (eMBMS) over its LTE networks in 2014.
Technically, since the multicast transmission serves multiple users involved in Multicast Group (MGroup), it is required to provide reliable communication for all users in MGroup. For example, in the most cases, it is necessary to provide satisfactory services to all users in MGroup, regardless their channel condition (good or bad). Thus, data rate for multicast service should be decided by the worst channel user. Accordingly, users with good channel condition in MGroup are also served by same data rate which is decided by the worst channel user even though they are capable to support higher data rate. Therefore, this requirement results in degradation of throughput for multicast transmission. In this sense, in academic area, controlling the operation for the multicast transmission introduces several technical challenges that needs to be addressed so as to achieve good throughput such as scheduling based and resource allocation etc. However, most of research efforts for the multicast transmission have been confined to solve the throughput issue, whereas the energy-efficient multicast design issue has not been taken into consideration. This indicates that there is a still room to improve energy efficiency in multicast transmission.
In this dissertation, challenges of energy-efficient multicast transmission design by proposing novel approaches are addressed. For the first approach, an energy efficiency metric in mobile communication (kbps/W) is applied to the multicast transmission. Hence, new energy-efficiency metrics for multicast transmission are designed from different perspectives. Note that these metrics well accounts for channel condition of the worst channel user and Base Station (BS)`s power consumption. Specifically, based on Shannon`s theory, the multicast energy efficiency is theoretically evaluated by this proposed metric. Then, practical multicast energy efficiency is also evaluated by quantifying practical throughput and goodput according to parameters specified in LTE MBMS. Based on this evaluation, energy-efficient power management scheme for multicast transmission is newly proposed, which can maximize the proposed metrics (the multicast energy efficiency is maximized). From performance evaluation, 18.75-68.75% multicast energy efficiency improvement can be achieved compared with conventional static power. For the second approach, a rigorous analytical model to evaluate the energy efficiency of cooperative multicast transmission is provided. Based on this evaluation, we are therefore faced with two problems in cooperative multicast transmission such that 1) relay power consumption problem and 2) outage user problem. Then, for the first problem, to reduce unnecessary relay power consumption, the energy efficient cooperative multicast scheme based on selective relay is proposed. The proposed scheme considers that a relay user can recognize the nearby user condition (e.g., check whether there is at least one user requesting a relay in the transmission boundary). On the basis of results of numerical analysis, 38% energy efficiency for multicast transmission can be achieved by reducing unnecessary relay power consumption. Furthermore, for the second problem, we extend our scheme to SVC based environment, which called SVC based energy efficient cooperative multicast scheme by delivering base layer to all users in MGroup for guaranteeing minimum quality of Service (QoS). With selective layer forwarding, it is shown that the proposed scheme offers 60% higher energy efficiency than the existing solutions.
현재 전 세계적인 에너지 고갈 문제의 대두는 에너지 소비에 대한 규제와 함께 에너지 가격 상승이 더 이상 피할 수 없는 현실임을 시사한다. 특히, 스마트폰의 보급과 지속적인 무선 기지국의 개발로 인해 무선 트래픽은 기하급수적으로 증가하고 있으며, 2020년까지 무선 통신에서의 에너지 소비는 전체 정보 통신 기술에서 소비하는 에너지의 50% 이상을 차지하게 될 것으로 전망되고있다. 이는 무선 통신사업자의 운용비용측면에 직접적인 부담으로 다가올 것이며, 에너지 문제와 관련 된 다양한 규제에도 상당한 제약을 받을 것으로 예상 된다. 따라서, 현재 무선 통신에서는 전송 측면, 기지국 운영 측면, 네트워크 설계 측면 등 다양한 각도로 에너지 효율적인 무선기술 확보에 혈안이 되어있다. 관련하여, ITU-T, Greentouch 콘소시움, 3GPP 등 국제 통신 관련 기구들이 지속적으로 본 문제에 대하여 고민하고 있는 중이다.
지금까지 무선 통신에서 연구의 흐름을 살펴보면, 대역폭 효율을 향상시키는 것에 집중 된 연구가 지속적으로 진행 되어 왔다. 특히, 고용량 멀티미디어 서비스의 증가와 대부분의 멀티미디어 서비스가 특정 인기 콘텐츠의 몰리는 경향성에 의해, 동일한 콘텐츠를 동일한 채널을 통해 다수에게 전달하는 기술인 멀티캐스트 전송 기법이 유망한 솔루션으로 연구되어 왔다. 현재까지는 기지국 설치 증대와 주파수 자원 확장으로 이러한 문제를 해결하였기에, 멀티캐스트 전송 기술은 학계쪽에서만 집중적으로 연구되었다. 하지만, 최근에는 주파수 자원 고갈 및 기지국에서 에너지 소비 증가로 인해 불필요한 전송을 피하고, 대역폭 효율을 향상시키는 멀티캐스트 전송 기법이 산업계에서도 상당한 관심을 보이고 있으며, 현재 3GPP LTE 표준에도 채택 됨으로써 향후 멀티캐스트 전송 기반의 많은 서비스들이 등장 할 것으로 기대 된다. 한 보고서에 의하면, 이미 전체 트래픽 중 멀티캐스트가 차지하는 양은 약 30%이며 지속적으로 증가할 전망으로 명시되었다.
하지만, 멀티캐스트의 다양한 장점에도 불구하고, 무선에서 여러 유저들이 겪는 채널 상태는 모두 다르며, 하나의 채널을 통해 이러한 다른 채널상태를 겪는 다수의 유저를 서비스하기 위해서는, 멀티캐스트 전송 속도를 가장 채널이 나쁜 유저에게 맞추어서 서비스해야하는 요구사항을 포함하고 있다. 이러한 측면에서, 채널상태가 안좋은 유저를 최소한으로 희생시키면서, 멀티캐스트의 성능을 향상시키는 많은 자원 할당 기법이 연구 되었다. 관련된 연구로는 부반송파 및 전력 할당 기술, 스케줄링 기법 등이 있다. 하지만 실질적인 서비스를 위해서는 모든 유저에게 서비스를 보장하는 것이 원칙이기 때문에, 안좋은 채널상태 유저를 희생시키면서 대역폭 효율을 늘리는 것과 유저 전체에게 공평한 서비스를 제공하는 것 사이의 Trade-off 관계는 멀티캐스트가 극복해야할 중요한 문제로 고려되었다. 최근에는 Scalable Video Coding 기반 멀티캐스트 기법, 협력 통신 기반 멀티캐스트 기법이 멀티캐스트 성능과 공평성 모두를 향상시키는 유망한 해결책으로 고려되고 있다. 그러나, 현재까지 멀티캐스트 전송 기법에 관한 연구는 위의 주제에 한정 된 경향을 보이고 있으며, 현재 무선에서 많은 연구들이 에너지 효율 관점을 함께 고려하는 것에 비해, 에너지 효율적인 멀티캐스트 전송 기법에 대한 연구는 실시 되지 않았다. 따라서, 이점은 멀티캐스트 전송 기법도 에너지 측면에서 분석 되고, 개선 되어야 할 여지가 있음을 시사한다.
본 학위 논문에서는 기존 멀티캐스트 전송 기법을 에너지 효율 관점으로 새롭게 분석하고 재설계하는 연구를 제시한다. 첫번째 연구로써, 멀티캐스트에서 에너지 효율을 분석 하기 위해, 기존 무선 통신에서 에너지 효율을 측정하는 메트릭을 멀티캐스트 환경에 맞게 적용한 새로운 메트릭을 제시하였다. 이 때, 본 메트릭의 이론적인 상계를 수학적으로 도출 및 분석하였으며, 보다 실제적인 관점으로, 3GPP LTE 표준 구조를 기반으로 한 Goodput과 Throughput 관점에서 에너지 효율을 분석하였다. 이때, 제시 된 메트릭은 멀티캐스트의 에너지 효율이 기지국의 전송 전력과 가장 안좋은 채널상태 유저에 영향을 받는 것 잘 표현할 수 있다. 더 나아가서, 제시 된 메트릭을 목적함수로 두어 멀티캐스트의 최적의 에너지 효율을 달성 시킬 수 있는 기지국 전송파워 관리 기술을 제안한다. 본 기술은 이론적으로 convex optimization으로 설계 되며, 최적의 전력 파워를 도출 하기 위해 Lagrangian algorithm이 적용 되어진다. 더 나아가서, 실제적 관점에서는 문제가 non-convex optimization으로 설계가 되며, 본 연구에서는 heuristic algorithm 제안하여 최적의 전송파워를 찾는 알고리즘을 설계하였다. 결과 분석을 통해, 멀티캐스트의 평균 에너지 효율이 상세하게 평가 되었으며, 제시 된 에너지 효율적인 기지국 전송파워 제어 알고리즘이 멀티캐스트의 에너지효율을 기존의 고정된 전력 파워를 쓰는 것과 비교하여 최소 18.75%에서 최대 68.57% 가량 개선시킴을 입증 할 수 있었다. 두번째 연구로써는, 최근에 새로운 멀티캐스트 전송기법으로 대두되고 있는 협력통신 기반의 멀티캐스트를 에너지 효율측면에서 분석 및 평가하였다. 이때 성능 평가를 위한 수학적인 모델을 제시하였으며, 본 분석을 통해 기존 협력 통신 기반의 멀티캐스트의 한계점을 시사하였다. 첫째로, 기존 협력통신 기반의 멀티캐스트는 협력을 통해 상당한 Relay 전송파워를 소비하고 있으며, 둘째로는, 멀티캐스트 그룹의 유저들에게 신뢰성있는 전송을 보장할 수 없다는 것이다. 따라서, 첫번째 문제 측면에서 우리는 기존 협력 통신 기반 멀티캐스트는 기지국으로 트래픽을 전달받는 채널 좋은 모든 유저가 그렇지 못한 나쁜 채널 유저들을 도와주기 위해 무조건 적으로 relay에 가담해야 함으로 불필요한 relay 전송 파워 소비가 생기는 것을 인지하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 주변의 상태를 비콘 신호로써 확인하여, 선택적으로 relay를 하는 기법을 제안하였다. 따라 제안 된 방식을 통해, 불필요한 relay 전송 파워를 줄일 수 있고, 이를 통해 멀티캐스트 에너지 효율이 약 38% 가량 향상 되는 것을 보일 수 있었다. 두번째 문제 측면에서는, 협력기반 멀티캐스트 환경에서는 특정 유저가 relay 혹은 기지국으로부터 전달 받지 못하는 상황이 발생하기 때문에, 이 문제를 해결 하기 위해 SVC기반 협력 멀티캐스트 환경으로 아이디어를 확장하였다. 확장 된 환경에서는 콘텐츠는 낮은 속도의 base layer와 추가적으로 품질을 향상시키기 위한 높은 속도의 복수개의 enhancement layer들로 인코딩 되며, 인코딩 된 콘텐츠는 기지국에서 단말로 일차적으로 전달된다. 이때 base layer는 모든 채널 상태의 유저가 받을 수 있도록 충분히 낮은 속도로 encoding 되어 전달 되며, 복수개의 enhancement layer는 협력에 의해 선택적으로 교환된다. 특히, 주변 유저 상태를 확인하고, 상대방이 필요한 layer 만 relay하기 때문에 불필요한 relay 전력 소비를 방지하였다. 성능 평가를 통해 확장 된 아이디어를 분석한 결과, 모든 유저의 서비스를 보장함과 더불어 약 60%가량의 에너지 효율을 향상 시킴을 보일 수 있었다.
