In these days, the number of smartphone greatly increases and is predicted to reach 220 million in U.S. by 2018 \cite{statista}. Also, the usage of mobile video traffic is predicted to account for 70\% by 2018, \cite{Cisco}. To support rapidly increasing smartphone traffic, high data rate is needed, and it is important to guarantee service for the demand regardless of user movement. However, the existing communication systems are good for only low mobility environments, and it leads to decrease the performance of communication at high mobility of UE. This problem becomes worse in an express bus of the express highway environment, where many users exist densely and move simultaneously. In this environment, many users start to handover at the same time and it causes the huge amount of handover event in short time, which increases the huge signal overhead. Also, the channel capacity decreases especially at the edge boundary because the received signal strength decreases and the interference from other base station increases. In short, the communication service quality may decrease while the express bus, that includes many people and has high mobility, passes the edge boundary of base station.
In this thesis, we propose the communication based on mobile AP using beamforming and grouping. By using mobile AP, base station considers many users as a single group. Base station sends the signal data to mobile AP, not UE, which forwards received data to each UE. It helps to improve the received signal strength and reduces the signal overhead. Mobile AP has some benefits in this system. First, it has no restriction such as space and power. To have many antennas, enough space is necessary because the space between one antenna and the other antenna must be larger than $\frac{\lambda}{2}$, and it is not easy to get enough space for usual mobile phone. However, mobile AP can secure space easily because multiple antennas can be set up on the roof of bus. Also mobile AP uses the power of the bus. It means there is no limitation of power to operate mobile AP. Second benefit is a property of channel environment. When mobile AP is used, the channel environment is changed. Conventional communication system can be considered as a multiuser MISO environment. In this environment, there is some interference from other UE and it is bigger at the edge boundary. But, in proposed system, the channel is changed to single user MIMO system, and it helps mobile AP to have better received signal strength. Moreover, we can use not only diversity gain, but also multiplexing gain. By taking advantage of channel state information, we maximize the channel capacity by applying waterfilling algorithm with precoding and postcoding. From these properties, mobile AP system has better performance and can get high reliability. In addition, mobile AP has a lower ping-pong rate than conventional system for same time-to-trigger value. It means that mobile AP system can get more reliable communication than conventional system. Finally, we analyze the performance of mobile AP system and verify the analysis result through simulation results.
Keywords: mobile AP, beamforming, express highway
최근 스마트폰 사용 대수가 급증하고 있으며 미국에서는 그 수가 2018년도 까지 2 억 2 천만대로 급증할 것으로 예상되고 있다. 뿐만 아니라 스마트폰을 이용한 데이터 사용 중 비디오를 이용한 데이터 사용이 증가할 것으로 예상되고 있다. 이러한 스마트폰 트래픽의 증가를 지원하기 위해, 높은 데이터 속도가 필요하며, 사용자의 이동성과 관계 없이 안정된 서비스를 지원할 수 있어야 한다. 하지만 현존하는 통신 시스템들은 작은 이동성을 가진 유저들에게 최적화 되어 있으며, 큰 이동성을 갖는 유저들에게는 그 성능이 감소한다. 특히, 고속도로를 달리는 버스와 같이 다수의 유저들이 밀집되어 빠른 속도로 동시에 움직히는 환경에서는 더욱 심해진다. 이 환경에서, 많은 유저들은 동시에 핸드오버를 시작하며 이는 짧은 시간 동안 많은 양의 핸드오버를 발생시켜 시그널 오버헤드를 증가시킨다. 뿐만 아니라 수신 신호 세기가 감소함에 따라 채널 용량이 현저하게 감소하기도 한다.
본 논문에서는 고속도로 환경에서 빔포밍과 그룹화를 사용하는 mobile AP 기반 의 통신 방안을 제안하였다. 기존의 고속버스는 다수의 유저들이 독립적으로 존재하며 제각기 기지국과 통신을 하였다. Mobile AP 를 이용할 경우, 기지국은 버스 안의 다수의 유저들을 하나의 그룹으로 생각할 수 있다. Mobile AP 의 동작 순서는 다음과 같다. 먼저 기지국은 다수의 유저들에게 보낼 데이터를 유저들 각각이 아닌 mobile AP에 모아서 전송한다. 이후 mobile AP는 받은 데이터들을 각각의 UE들에게 전달한다. Mobile AP 는 버스 천장 위에 설치되어 있어 안테나 설치를 위한 공간적 제약이 없으며, 전력 또한 버스를 통해 전달받을 수 있어 mobile AP를 동작하기 위한 전력 제한이 없다. Mobile AP 사용을 통하여 서비스 환경은 기존의 버스 환경, multiuser MISO 모델,에서 단일 MIMO 모델로 변화될 수 있으며 mobile AP의 다수의 안테나들를 이용하여 여러가지 이점을 얻을 수 있다.
Mobile AP는 다수의 안테나들를 통하여 서비스 받고 있는 기지국으로부터의 수신 신호 세기를 향상시킬 수 있으며, 그룹화를 통하여 시그널 오버헤드 또한 줄일 수 있다. 또한 데이터 용량을 증대 시킬 수 있음을 분석하였으며 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 특히, 채널 상황이 가장 좋지 않은 두 기지국 중간 지점에서 최대 5 배의 데이터 용량 증대를 확인하였으며, 이를 통해 극한 환경에서 제안된 시스템이 높은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. Mobile AP 사용 환경에서는 강화된 수신 신호 세기를 통해 기존 시스템보다 최대 100배 낮은 handover failure probability 를 얻을 수 있음을 분석하였고 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 뿐만 아니라 제안된 모델에서의 ping-pong 현상 및 time-to-trigger 에 따른 radio link failure rate 수식을 도출하였으며, ping-pong 현상을 최소화 하기 위한 최적의 time-to-trigger 값을 분석하였다. 분석한 결과는 시뮬레이션을 통해 성능을 확인하였다.
핵심어: 모바일 AP, 빔포밍, 고속도로
