The recent evolution of mobile devices such as tablets and smart-phones has dramatically increased the demands on wireless multi-media services and causes significant interference between communication links in the wireless networks. The network interferences are dynamically changed according to the network geometry such as the locations and the number of nodes and they severely degrade the performance of the network. Recently, the randomness of the networks has been more grown with the newly emerging unplanned or decentralized networks such as small cells and device-to-device (D2D). In addition, the uncertainty for the locations and channels of all nodes in the network has been grown due to the difficulty of predicting all explosively increased communication nodes. Accordingly, understanding and controlling the network interferences of the wireless random networks have become more important. Motivated by this, this dissertation analyzes the network interferences of four different wireless random networks by using stochastic geometry and proposes the network interference control schemes to maximize the performance of each network.
Firstly, the interference control scheme via artificial noise to enhance the physical layer security is proposed in stochastic wireless secrecy network where a transmitter transmits the secret message with artificial noise to the receiver and multiple interferers and eavesdroppers are randomly located. The tradeoff between connection and secrecy outage probabilities with respect to the use of artificial noise is discovered. We derive the secrecy transmission rate and investigate the relationship between artificial noise and various system parameters like secrecy protected zone radius and intensity of interferers and eavesdroppers on the secrecy transmission rate. In interference-limited networks, we derive the optimal power allocation between the information-bearing signal and artificial noise to maximize the achievable secrecy transmission rate subject to maximum allowable connection and secrecy outage probabilities. Numerical results show that artificial noise is still beneficial in the presence of inherent network interference to improve secrecy transmission rate and provide rules of thumb to quantify when optimal power allocation is useful.
Secondly, the interference control scheme via user RAT access control is proposed in multi-RAT cellular networks. From the perspective of a single user, concurrent utilization of all available radio access technologies (RAT) is always beneficial for increasing individual data rate. However, given the interactions among users, occupying multiple RATs at each user might not be optimal from a network-wide viewpoint. In this chapter, we explore the answer to the posed question what is the optimal access strategy in multi-RAT cellular networks, solving a distributed RAT access control problem for maximizing network throughput. With stochastic geometry, we analytically evaluate network throughputs for two different access modes: single RAT access (altruistic access) and simultaneous multiple RATs access (selfish access). Comparing the network throughputs for the two modes, we first show that the network throughput can be maximized by properly mixing the two access modes and then derive the optimal portions of each mode in a network, which motivates a distributed RAT access control in a probabilistic sense. The optimal mixture of the two modes controls scheduling contention and interference among users to maximize the network throughput. We also analyze the effects of various system parameters, such as the number of frequency sub-bands for each RAT, user density, and access point density, on the optimal portions of the two access modes.
Thirdly, the interference control scheme via caching placement is proposed in stochastic wireless caching helper networks. The file transmission success of the wireless caching helpers is determined by the channel selection diversity gain and network interference, where they are dynamically changed according to which files are stored at finite cache of each caching helper for given channel fading and network geometry. This chapter studied the optimal caching placement of the stochastic wireless caching helpers for general cache memory size under Nakagami fading. We proved that finding optimal/sub-optimal caching placement to maximize the average file transmission success probability in noise/interference-limited network is the conventional convex optimization problem and derived the structure of the optimal caching placement in closed-form. It was shown that the optimal caching placement maximizes the average file transmission success probability by optimally balancing the channel selection diversity gain for each file and controlling the network interference for given file popularity and limited cache memory size. Finally, with some numerical examples, we investigated how the various system parameters such as file popularity, caching helper density, Nakagami fading parameter m, pathloss exponent, transmit power, cache memory size, and target file bit rates affect on the optimal caching placement.
Fourthly, the interference control scheme via caching placement is proposed in cooperative wireless caching helper networks. This chapter models the cooperative transmission via caching helpers (cache-based joint transmission), which cache one of the K most popular files, in wireless caching helper networks and analyzes its performance in terms of the file transmission success probability in the stochastic geometry framework. For given caching placement, the caching helpers can either provide a file diversity gain by serving different files or a cooperative gain by jointly transmitting the same files. In order to account for the tradeoff between the file diversity gain and the cooperative gain, the cache hit probability and the rate coverage probability were derived. We also find the optimal caching placement balancing the tradeoff and investigate the effects of various system parameters, such as the cooperative region, the density of caching helpers, and the file popularity exponent, on the optimal caching placement.
본 학위 논문에서는 확률 기하 이론을 활용하여, 4개의 서로 다른 무선 랜덤 네트워크, 확률 무선 보안 네트워크, multi-RAT 셀룰러 네트워크, 무선 확률 캐싱 헬퍼 네트워크, 협력 캐싱 헬퍼 네트워크의 간섭을 분석하고, 이를 기반으로 각 네트워크 성능 향상을 위한 간섭 제어 기법을 제안하였다. 본 논문의 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.
첫째로, 송신기가 수신기에 보안 메시지 및 인공 잡음을 동시에 전송하고, 복수개의 간섭원과 도청기들이 임의로 위치하고 있는 확률 무선 보안 네트워크에서, 물리 계층 보안을 향상 시키기 위한 인공 잡음 기반 간섭 제어 기법을 제안하였다. 다른 통신 노드들로부터 발생하는 네트워크 간섭은 수신기 및 도청기의 간섭을 동시에 방해함에 따라, 네트워크에 긍정 및 부정적인 영향을 동시에 발생시킨다. 이러한 상반된 간섭의 효과는 송신기의 인공 잡음 전송을 통해 간접적으로 조절될 수 있다. 이러한 관점에 착안하여, 먼저 인공 잡음 사용에 따른 연결 아웃티지 확률 및 보안 아웃티지 확률 사이의 트레이드오프 관계를 밝혔다. 또한, 보안 전송 레이트 분석을 통해, 보안 보호 구역 반지름, 간섭원 및 도청기 밀도 등과 같은 다양한 시스템 파라미터들과 인공 잡음 사이의 상관 관계를 밝혔다. 간섭 우세 네트워크에서 최대로 허용 가능한 연결 아웃티지 확률 및 보안 아웃티지 확률의 제약 조건이 주어질 때 보안 전송 레이트를 최대화 시키기 위한 보안 메시지와 인공 잡음 사이의 최적 파워 할당 비율을 유도하였다.
둘째로, 사용자들 중에 일부는 RAT 동시 접속을 하고 나머지들은 단일 접속을 하는 multi-RAT 셀룰러 네트워크에서, 사용자 RAT 접속 제어를 통한 간섭 제어 기법을 제안하였다. 사용자들의 RAT 동시 접속과 단일 접속 사이의 비율 조절은 각 RAT의 억세스 포인트들의 부하를 조절함으로써 네트워크 간섭과 사용자들 사이의 스케줄링에 대한 경쟁을 조절 가능하게 한다. 이러한 관점에 착안하여, 먼저 확률 기하 이론을 통해, 임의의 RAT 단일 접속 및 동시 접속 사이의 사용자 비율에 대해, 획득 가능한 네트워크 throughput을 분석하였다. 모든 사용자가 두개의 접속 모드 중 하나만 사용 하는 극단적인 경우에 대해 성능을 비교하고, 이를 통해 확률적 관점에서의 분산적 RAT 접속 조절의 필요성을 제시하였다. 또한, 두개의 사용자 접속 모드에 대한 사용자의 적절한 분배가 네트워크 간섭과 사용자들 사이의 스케줄링 경쟁 조절을 최적으로 조절함에 따라 네트워크 throughput을 최대화 시킴을 보이고, 이를 위한 최적 사용자 RAT 동시 접속 비율을 제시하였다. 구체적으로, 모든 RAT들이 동일한 특성을 가질때, 사용자 밀도와 억세스 포인트 밀도 사이의 비율의 함수로서 최적 사용자 접속 조절 비율을 유도하였다.
셋째로, 각각의 캐싱 헬퍼가 복수개의 파일을 저장 할 수 있는 무선 캐싱 헬퍼 네트워크에서, 최적 파일 배치를 통한 간섭 제어 방법을 제안하였다. 주어진 채널 페이딩과 네트워크 기하 구조에서, 캐싱 헬퍼들이 캐시 메모리에 어떻게 파일들을 배치하는지에 따라, 각 파일에 대해 다른 형태의 채널 선택 다이버시티 이득을 제공할 뿐만 아니라 다른 형태의 간섭을 미친다. 따라서, 캐싱 헬퍼에 대한 파일의 최적 배치는 주어진 파일 인기도에 대해 채널 선택 다이버시티 이득과 네트워크 간섭을 적절하게 조절함에 따라, 평균 파일 전송 성공 확률을 최대화시킬 수 있다. 이러한 관점에 착안하여, 먼저 일반화된 크기의 캐시 메모리 사이즈와 Nakagami 페이딩이 고려된 확률 무선 캐싱 네트워크에서, 각 사용자가 원하는 파일을 가진 캐싱 헬퍼 중에서 수신 신호가 가장 큰 캐싱 헬퍼로부터 파일을 서비스 받을 경우, 평균 파일 전송 성공 확률을 분석하였다. 다음으로, 노이즈/간섭 우세 네트워크 각각에 대해서 평균 파일 전송 성공 확률을 최대화 하기 위한 최적 파일 배치 방법을 찾는 문제가 컨벡스 최적화 문제인 것을 증명하고, 이로부터 최적 파일 배치 솔루션을 유도하였다. 다양한 성능 평가를 통해, 유도된 최적 파일 배치 방법이 실제로 평균 파일 전송 성공 확률을 최대화 시킬 수 있음을 입증하고, 파일 인기도, 캐싱 헬퍼 밀도 등 다양한 시스템 파라미터들의 최적 파일 배치에 대한 영향을 분석하였다.
마지막으로, 협력 전송 구역 내의 캐싱 헬퍼들 중, 동일한 파일을 저장한 캐싱 헬퍼들이 동시에 협력 전송하는 협력 무선 캐싱 헬퍼 네트워크에서, 최적 파일 배치를 통한 간섭 제어 방법을 제안하였다. 캐싱 헬퍼들이 어떻게 파일을 가지고 있는지에 따라, 동일 파일을 협력 전송하거나, 각기 다른 파일들에 대해서 서비스 할수 있고, 이로 인해, 간섭의 형태가 바뀐다. 따라서, 주어진 파일 인기도에 대해, 협력 전송 이득과 파일 다이버시티를 최적으로 밸런싱 할수 있도록, 캐싱 헬퍼에 파일을 배치함으로써, 평균 파일 전송 성공 확률을 최대화 시킬 수 있다. 이러한 관점에 착안하여, 먼저, 임의의 파일 배치에 대한 무선 협력 캐싱 헬퍼 네트워크의 평균 파일 전송 성공 확률을 분석하였다. 또한, 캐시 히트 확률과 레이트 커버리지 확률 분석을 통해, 파일 다이버시티와 협력 전송 이득 사이의 트레이드오프 관계를 밝혔다. 마지막으로, 평균 파일 전송 성공 확률 최대화를 위한 최적 파일 배치 확률을 유도하고, 다양한 성능 평가를 통해, 파일 인기도, 협력 전송 구역 크기, 캐싱 헬퍼 밀도 등 다양한 시스템 파라미터들의 최적 파일 배치에 대한 영향을 분석하였다.
