Random linear network coding has been considered as one of the most promising technologies to improve the performance of communication system such as throughput and delay. The operation of random linear network coding is mainly made by coding coefficients and coded packets. The coded packet is a combination of the coding coefficients and uncoded packets (or original packets). In the environment where there are a source and multiple receivers, the source generally transmits the coded packets and the related coding coefficient at the same time. Then, receivers have to obtain the coded packets and the coding coefficients together. If a receiver does not obtain the coded packets or coding coefficients, the receiver fails to receive that packet.
In this thesis, by using the characteristics of random linear network coding, a variety of random linear network coding schemes are researched in multiple unicast transmissions. At first, related works with random linear network coding are researched and the concept of multiple unicast transmission is examined.
Then, in time varying channels, opportunistic scheduling schemes based on random linear network coding are presented in case of single frame and multiple frames, respectively, to improve outage probability and delay. In case of single frame, we examine the detailed operational procedure of random linear network coding and study a new random linear network coding scheme to minimize an outage probability by opportunistically transmitting the coded packet according to the result of the coding coefficient transmission. In case of multiple frames, we study the effect of random linear network coding by considering two things: the first is frame length according to usage of feedback and the second is practical modulation level such as binary phase shift keying (BPSK) and M-ary phase shift keying (MPSK).
Random linear network coding schemes are proposed to improve overall success probability and reduce total symbol lengths. We also analyze the performance of random linear network coding when channel information is delayed due to mobility and time difference between channel estimation and data transmission, and provide proper opportunistic scheduling schemes in outdated channel state information.
Besides, a combination of random linear network coding and non-orthogonal multiple access is researched to improve system performance in case of 2 multiplexing levels such as near group and far group.
Basically, the operation of source is composed of two things: one is coded packet generation from uncoded packets for random linear network coding and the other is superposed packet generation from coded packets in a power domain for non-orthogonal multiple access. The operation of receiver is also composed of two things: one is successive interference cancellation for non-orthogonal multiple access and the other is Gauss-Jordan elimination process for random linear network coding. In this case, we research total packet success probability in 4 cases: non-orthogonal multiple access, orthogonal multiple access, non-orthogonal multiple access with random linear network coding and orthogonal multiple access with random linear network coding. Finally, we further research on random linear network coding based on non-orthogonal multiple access in case of general multiplexing levels. There are trade-off relationships between higher multiplexing levels and lower multiplexing levels in terms of two things: the first thing is an amount of interference and the second thing is the number of required packets for decoding successfully. We study an average and a variance of the expected transmission times for completing decoding to evaluate random linear network coding based on non-orthogonal multiplexing in case of general multiplexing levels by considering the scheduling scheme that makes multiplexing groups from entire network according to the difference of channel gains.
최근 통신 시스템 성능을 향상시키는 핵심 기술 중의 하나로써 랜덤 선형 네트워크 코딩이 주목을 받고 있다. 코드화된 패킷과 코드 계수 전송에 의해 랜덤 선형 네트워크 코딩 동작이 이루어진다. 여기서, 코드화된 패킷은 코드 계수와 비코드화된 패킷(원본 패킷)의 결합으로 구성된다. 하나의 전송단과 여러 개의 수신단이 존재하는 환경에서 전송단은 일반적으로 코드화된 패킷과 코드 계수를 동시에 전송하게 된다. 그리고 나서 수신단은 전송된 코드화된 패킷과 코드 계수를 받게 된다. 이 때, 만약 어느 한 수신단이 코드화된 패킷이나 코드 계수 중 하나 이상을 받지 못할 경우, 그 수신단은 패킷 수신을 실패하게 된다.
이와 같은 기본적인 동작 과정을 바탕으로 본격적인 연구를 시작하기에 앞서, 랜덤 선형 네트워크 코딩과 관련된 최신 선행 연구를 먼저 조사하고 다중 유니캐스트 전송에 대한 개념을 재정의하였다. 이를 바탕으로 본 박사 학위 논문에서, 다중 유니캐스트 전송 환경에서 랜덤 선형 네트워크 코딩의 특성을 고려하여 다양한 랜덤 선형 네트워크 코딩 방법을 5가지 측면에서 연구를 수행하였다.
첫 번째, 단일 프레임 환경에서 귀환 채널이 존재할 때, 랜덤 선형 네트워크의 코딩 세부적인 동작 절차를 설계하였다. 그리고 패킷 실패 확률을 최소화 하기 위해 사전에 코드 계수 전송을 통해 얻은 결과를 기반으로 기회적으로 코드화된 패킷을 전송하는 방법을 적용한 새로운 랜덤 선형 네트워크 코딩 방법을 연구하였다. 이를 채널 정보만을 고려한 기회적 스케줄링 방법과 비교하여 제안 방안 성능의 우수성을 패킷 실패 확률로써 검증하였습니다. 또한, 패킷 실패 확률로 설계한 수식 결과와 모의 실험 결과가 일치함을 확인하였다.
두 번째, 다중 프레임 환경에서는 프레임 길이와 변조 단계를 고려한 랜덤 선형 네트워크 코딩을 연구하였다. 프레임 길이는 크게 피드백 사용 여부에 따라 영향을 받으며, 변조 단계는 이진 위상 변조 방식 혹은 고차원 위상 변조 방식과 같은 실제 적용될 변조 기술에 따라 영향을 받는다. 이를 고려하여 총 4가지의 기회적 랜덤 선형 네트워크 코딩(채널 비상관 전송 방법, 채널 이득 기반 전송 방법, 채널 이득 및 원본 패킷 수신 결과에 따른 전송 방법, 채널 이득 및 코드 계수 수신 결과에 따른 전송 방법)을 제안하였다. 제안한 기회적 랜덤 선형 네트워크 코딩을 전반적인 패킷 성공 확률 및 총 전송에 필요한 심볼 수로 성능을 검증하였다.
세 번째, 전송단 혹은 수신단의 이동 및 채널 측정 시점과 패킷 전송 시점의 차이에 의해 발생되는 지연된 채널 정보 환경에서 랜덤 선형 네트워크 코딩의 성능을 연구하였다. 그리고 채널 정보가 지연된 환경에서 지연된 채널 정보의 이득을 바탕으로 기회적인 스케줄링 방법을 제안하였다. 또한, 채널 상관 계수에 따른 함수를 이용하여 지연된 채널 정보 모델을 제시하였으며, 실제 상황에 맞는 변수들을 설정하여 제안한 기회적인 스케줄링 방법의 성능을 패킷 실패 확률로써 검증하였다.
네 번째, 다른 측면에서 시스템 성능 향상을 위한 랜덤 선형 네트워크 코딩과 비직교 다중 접속 기술과의 결합을 연구하였다. 또한, 근접 그룹과 비근접 그룹이 존재하는 2 단계로 다중화된 환경을 같이 고려하였다. 이와 같은 환경에서 송신단의 동작 과정은 크게 두 가지로 구성된다. 먼저, 원본 패킷을 랜덤 선형 네트워크 코딩을 이용하여 코드화된 패킷으로 변환하는 과정이다. 그 다음은 여러 코드화된 패킷들을 전력 영역에서 비직교 다중 접속을 이용하여 중첩 코드화된 패킷으로 생성하는 과정이다. 다음 수신단의 과정은 송신단과 같이 2 단계로 구성된다. 먼저, 비직교 다중 접속 방법으로 중첩된 코드화된 패킷들을 연속 간섭 제거 방법을 통해 비중첩화된 코드화된 패킷들로 변환하는 과정이다. 그 다음은 랜덤 선형 네트워크 코딩으로 코드화된 패킷들을 해독하여 원본 패킷을 추출하는 가우스 조단 제거 과정이다. 이와 같은 방식을 적용하여 총 4 가지 경우 (비직교 다중 접속, 직교 다중 접속, 비직교 다중 접속 기반 랜덤 선형 네트워크 코딩, 직교 다중 접속 기반 랜덤 선형 네트워크 코딩) 들을 설계하며, 이들을 각각 총 패킷 성공 확률로 분석하였다.
다섯 번째, 2 단계 이상의 일반적인 다중화 단계에서 비직교 다중 접속 기반 랜덤 선형 네트워크 코딩을 연구하였다. 간섭 양과 해독에 필요한 패킷 수 관점에서 임의의 선택된 다중화 단계에 따라 장단점이 존재한다. 예를 들면, 낮은 다중화 단계를 선택할 경우에는 간섭 양은 적지만 반대로 해독에 필요한 패킷 수는 증가한다. 그리고 높은 다중화 단계를 선택할 경우에는 간섭 양은 많지만 해독에 필요한 패킷 수는 감소한다. 이런 성질을 평가하기 위한 방법으로써 패킷 해독을 완료하는데 필요한 예상 시간의 평균 값과 분산 값에 대한 수식을 각각 도출하였다. 그리고 채널 이득의 차를 기반으로 다중화 그룹을 생성하는 스케줄링 방법을 사용하여 비직교 다중 접속 기반 랜덤 선형 네트워크를 앞서 도출한 예상 시간의 평균 값과 분산 값으로 평가하였다.
