Due to growing wireless traffic demand and bandwidth shortage under 3GHz, radio frequency spectrum within 3-300 GHz, millimeter-wave (mmWave) bands are being spotlighted for the next generation of mobile broadband network. mmWave mobile broadband network is expected to achieve high capacity of several Gbps by utilizing immense bandwidth from hundreds MHz to GHz and beamforming antenna technology based on its property of strong straightness.
However, the straightness of mmWave is advantage and also disadvantage at the same time. mmWave is harshly attenuated by dense buildings in metropolitan area. As the result, it is predicted to generate outage zone where the signal does not reach frequently in mmWave network. Nowadays, there are many field tests using mmWave equipment in worldwide. According to 28GHz propagation measurement in Manhattan, New York [1], 16% of tested links are outage when distance between transmitter and receiver is within 20-200m and 57% are outage for 200-500m. As many researchers predicted, severe outage problem is observed and it can greatly inhibit the quality of service (QoS). We should overcome this problem to implement and operate mmWave network as the next generation of mobile network.
In the other side, energy efficiency has attracted a lot of attention in network area. With the tremendous growth of wireless data traffic, energy consumption of wireless network will be almost 50% of entire ICT technology [2]. Especially, it is more important issue for mmWave network because of its potential Gbps capacity. Energy efficiency of mmWave network should be much higher than energy efficiency of conventional cellular networks to prevent the terrible amount of energy consumption caused by mmWave network.
As we described, in mmWave network, there are two important objectives, reducing outage probability and improving energy efficiency. Relay communication has been studied to solve these problems. In general, relay is network equipment which receives signal from base station (BS) and forwards it to mobile devices. Relay can provide bypass for users in outage zone. Also, it can provide energy-efficient bypass which can substitute wireless link with bad channel quality. Therefore, relaying is fascinate solution for mmWave network considering outage probability and energy efficiency together.
In this thesis, we assume that users have mobile devices which can relay to each other. We are trying to reduce outage probability and improve energy efficiency by utilizing mobile relays. If mobile relays greatly improve the performance of mmWave network, it will be the cheapest solution for mmWave network instead of constructing and operating fixed relay stations.
Thus, we have combinatorial optimization problem of mobile relay selection: how could we decide the optimal mobile relay selection, who will relay and who will receive it. To solve this problem, at first, we propose novel proportional fairness of energy metric considering outage probability and energy efficiency together. Consequently, we propose dynamic programming based mobile relay selection algorithm. It considers numerous cases of relay selections in efficient way and finds the mobile relay selection which maximizes the proposed metric. As the result, compared to mmWave network without mobile relays, the proposed algorithm improves energy efficiency by 25.6% while reducing outage probability by 28.6%. In addition, it achieves the balanced performance compared to conventional relay strategies which optimizes the one of outage probability or energy efficiency.
3GHz 이하의 주파수가 포화 상태에 이르면서, 증가하는 트래픽 요구에 대응하기 위해 아직 활용되지 않은 주파수 자원이 많이 존재하는 밀리미터 웨이브 대역이 연구되고 있습니다. 밀리미터 웨이브 네트워크는 수백 MHz 에서 수 GHz 에 이르는 넓은 대역폭을 활용함과 동시에 밀리미터 웨이브 특유의 강한 직진성을 고도의 안테나 기술이 결합한 빔포밍 기술로 높은 신호 세기를 확보하여 수 기가 bps에 달하는 높은 데이터 전송 속도를 달성할 수 있을 것으로 예상되고 있습니다.
그러나 밀리미터 웨이브는 직진성이 강하고 회절이 잘 되지 않는 특성을 지녀, 건물과 같은 장애물에 의해 음영지역이 발생하는 문제점을 안고 있습니다. 현재 전세계적으로 밀리미터 웨이브 장비로 많은 필드 테스트가 이루어지고 있습니다. 그 중 뉴욕의 맨하탄에서 측정된 결과에 따르면 예상대로 건물이 밀집한 도심 내에 음영지역이 빈번하게 발생하여, 송수신 장치의 거리가 200m 이내일 때는 약 16%, 200m에서 500m 일 때는 약 57%의 무선 링크가 통신이 되지 않았습니다. 이는 사용자들이 받는 통신 서비스의 질을 크게 저해하는 수준으로, 밀리미터 웨이브 네트워크를 구성하고 운영하기 위해 극복해야할 주요한 문제 중 하나입니다.
다른 한편으로는, 네트워크의 에너지 효율에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 폭발적인 무선 트래픽 증가와 맞물려 무선 네트워크의 에너지 소모량이 빠르게 증가하고 있기 때문입니다. 특히 수 기가 bps를 전송할 것으로 예상하는 밀리미터 웨이브 네트워크의 에너지 효율이 기존의 셀룰러 네트워크의 에너지 효율에서 크게 개선되지 않는다면 에너지 소모량은 늘어난 대역폭과 함께 끝없이 증가할 것입니다.
이처럼 밀리미터 웨이브 네트워크에서는 특유의 음영지역 문제 해결과 에너지 효율의 향상이라는 두 가지 문제가 공존하고 있어, 이를 해결하기 위한 방안으로 릴레이 통신 기법이 연구되고 있습니다. 일반적으로 릴레이란 기지국으로부터 신호를 받아 다시 사용자 단말에게 전달하는 네트워크 장치입니다. 이를 이용하여 기지국으로부터 직접 신호를 받을 수 없는 음영지역 내의 단말에게 우회로를 제공하거나, 채널 상태가 좋지 않아 에너지 효율이 나쁜 무선 링크를 릴레이를 거쳐 전송하는 효율적인 링크로 대체할 수 있습니다. 따라서, Outage 확률과 에너지 효율을 함께 고려해야 하는 밀리미터 웨이브 네트워크에 있어 릴레이 통신은 매우 적합한 해결책입니다. 본 연구에서는 사용자 단말들이 서로에게 릴레이할 수 있는 상황을 가정하여, 이를 이용하여 밀리미터 웨이브 네트워크의 Outage 확률과 에너지 효율을 개선하고자 합니다. 음영지역이 빈번하게 발생할 밀리미터 웨이브 네트워크의 곳곳에 중계 기지국을 설치하는 대신, 사용자들 간의 협업으로 해결할 수 있다면 훨씬 저렴한 비용의 해결책이 될 것입니다.
이를 위해 고려해야할 모바일 릴레이의 특징은 지극히 제한적인 하드웨어를 가지고 있다는 것입니다. 한정된 배터리와 송신 전력으로 인해 한 모바일 릴레이가 최대 한 명의 다른 사용자에게 릴레이를 해줄 수 있다고 할 때 발생하는 것이 매칭 문제, 사용자들을 릴레이하는 사용자와 릴레이 받는 사용자로 짝을 지어주는 릴레이 선택의 문제입니다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 먼저 Outage 확률과 에너지 효율을 함께 고려하여 주어진 밀리미터 웨이브 네트워크의 성능을 평가할 수 있는 새로운 메트릭, Proportional Fairness of Energy를 제안하였습니다. 이어서, 수많은 경우의 수의 릴레이 선택을 효율적으로 탐색하며 제안된 메트릭을 최대화하는 릴레이 선택을 찾아내는 동적 계획법 기반의 모바일 릴레이 선택 알고리즘을 제안하였습니다. 그 결과 제안된 알고리즘은 릴레이가 없는 밀리미터 웨이브 네트워크 대비 28.6%의 Outage 확률을 감소 시킴과 동시에 에너지 효율을 25.6% 개선하였습니다. 또한, Outage 확률이나 에너지 효율 중 한 가지를 최적화하는 기존의 릴레이 전략들과 비교하여 균형잡힌 성능을 달성하였습니다.
