In this dissertation, various techniques utilizing network diversity are introduced to analyze the effect of the network diversity on the performance enhancement of heterogeneous networks (HetNets).
First, a vertical handover scheme is proposed to minimize total power consumption required in serving a traffic flow without affecting the constant service rate of each network by using dynamic power control. The proposed scheme uses a Markov decision process (MDP) to capture the system's stochastic behaviors as well as the power consumption during a handover execution.
Second, a traffic offloading method is proposed to minimize the energy consumption of 2-tier HetNets that support 2 classes of packets with different packet delay requirements. Under given base station (BS) densities, the optimal BS association biases that minimize the delay of both packet classes is analyzed. Then, by means of the analysis, the optimal BS densities that minimize network energy consumption are found, while satisfying the delay requirement of both packet classes.
Third, slot-by-slot joint resource allocation algorithms are proposed for uplink multi-homing networks, in which the objective is to maximize uplink network utility. According to difference sub-channel allocation assumptions (i.e., fractional and integer sub-channel allocation), different joint resource allocation algorithms are investigated. Under the assumption of fractional sub-channel allocation, an optimization problem for joint resource allocation is formulated as a convex optimization problem. To achieve an optimal solution of the problem, one adopts Lagrange duality theory and derive an iterative algorithm to achieve the optimal solution. In contrast, under the assumption of integer sub-channel allocation, an optimization problem for joint resource allocation is formulated as a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem. Thus, a sub-optimal joint resource allocation algorithm is investigated, where the optimization problem is decoupled into three separate sub-problems: initial power allocation, sub-channel allocation for given initial power allocation, and power allocation improvement for given sub-channel allocation.
Fourth, a mathematical model is provided to evaluate the coexistence of Wi-Fi and Listen before talk (LBT)-enabled cellular networks sharing the unlicensed spectrum. Based on the proposed model, the throughput difference between the Wi-Fi access points (APs) and cellular BSs that results from the different medium access mechanisms of the two networks is investigated. In addition, because the two networks must coexist in a friendly manner, their \emph{graceful coexistence} is defined as the condition in which the performance of an individual node under a network scenario with $m$ Wi-Fi APs and $n$ cellular BSs is not worse than that under a network scenario with only $m+n$ Wi-Fi APs. Using this definition, we first examine whether this graceful coexistence is feasible through adjusting the LBT parameter of the cellular BSs, particularly the contention window (CW) size. Then, the optimal CW size that maximizes the total throughput of the two networks under the graceful coexistence condition is obtained for cases with various physical data rates and numbers of nodes in each network.
Finally, a mathematical framework is proposed based on queuing theory that models the time-domain behaviors of a Wi-Fi AP with the carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) mechanism and a cellular small BS without the regulatory requirement for LBT in the unlicensed spectrum. Based on the proposed framework, the mean packet delay of Wi-Fi AP and cellular small BS investigated as a coexistence performance metric, according to changes in their packet arrival rates. With help of our analysis, the maximum allowable packet arrival rates of Wi-Fi AP and cellular small BS are identified, under which the required Wi-Fi performance is satisfied without the coexistence mechanisms at the cellular small BS. This will serve as a guideline for the cellular small BS on when it needs to employ the coexistence mechanisms.
최근, 스마트폰 및 태플릿 PC 등과 같은 무선 디바이스 사용 증가로 인해 전 세계적으로 무선 데이터 트래픽의 양이 급격하게 증가하고 있다. 이렇듯, 급격하게 증가하는 무선 데이터 트래픽을 수용하기 위해, 다수의 소형 기지국을 마크로 기지국 내에 설치하는 방안이 크게 대두 되고 있는데 이는 네트워크 용량의 증가 및 마크로 기지국의 커버리지 홀의 보강 등과 같은 다양한 장점을 큰 비용 투자 없이 이끌어 낼 수 있다. 이러한 소형 기지국의 밀도가 점점 높아지고 그 설치 위치가 랜덤 해짐에 따라, 전체 네트워크 영역에서 다수의 기지국의 셀 커버러지가 겹치는 영역, 즉 오버래핑 영역 (overlapping area) 의 비율이 증가하게 된다. 이때, 오버래핑 영역에 위치한 무선 디바이스들은 접근 가능한 다수의 기지국 사이의 이종 채널 상태를 적극적으로 활용 함으로써 이득을 얻을 수 있는데, 이를 네트워크 다이버시티 (network diversity) 이득이라 한다.
본 학위 논문에서는 네트워크 다이버시티를 활용하여 성능 향상을 이끌어 내는 다양한 기법을 제안하고, 제안 하는 기법을 통해 네트워크 다이버시티가 이종 무선 네트워크의 성능 향상에 미치는 영향을 분석 하고자 한다.
첫째, 전송 하고자 하는 트래픽을 처리하기 위한 성능을 보장 하면서 전송 시에 발생하는 총 에너지 소비를 최소화 하는 버티컬 핸드오버 기법을 제안 한다. 제안하는 기법은 마르코프 결정 과정 (Markov decision process) 이용하는데, 이를 통해 핸드오버 실행 과정에서 발생하는 에너지 소비뿐만 아니라 핸드오버 파라미터의 확률적인 변화의 정보를 핸드오버 결정 과정에서 고려 할 수 있다.
둘째, 각기 다른 지연 (delay) 요구사항을 가지는 두 클래스의 패킷을 서비스 하는 이종 무선 네트워크의 에너지 소비 최소화를 목표로 하는 트래픽 오프로딩 기법을 제안 한다. 먼저 기지국 밀도가 주어 졌을 때 두 패킷 클래스의 지연 성능을 최소화 하는 최적의 접속 바이어스 (association bias)를 도출하고, 이를 바탕으로 하여 두 패킷 클래스의 지연 성능 요구사항을 만족하면서 네트워크 에너지 소비를 최소화 하는 최적의 기지국 밀도를 찾는다.
셋째, 상향 링크 다중 접속 (multi-homing) 네트워크에서 할당 받은 무선 자원에 대한 전체 사용자들의 만족도 최대화를 목표로 하는 무선 자원 할당 기법을 제안 한다. 특히, 두 서브 채널 할당 가정, 즉 분수 할당 및 정수 할당에 따라 각기 다른 자원 할당 기법을 제시 한다. 분수 서브 채널 할당 가정 아래에서, 자원 할당을 위한 최적화 문제는 컨벡스 (convex) 최적화 문제로 만들어 낸다. 제안한 최적화 문제의 최적 해를 얻기 위해서 라그랑지 (Lagrange) 이론을 사용 하였다. 이와는 다르게, 정수 서브 채널 할당 가정 아래에서, 자원 할당을 위한 최적화 문제는 정수 혼합 정수 계획법 문제 (a mixed-integer nonlinear programming)로 만들어 낸다. 제안한 최적화 문제의 최적 해를 실시간 과정을 통해 얻을 수 없기 때문에, 본 연구에서는 차선의 자원 할당 기법을 제시 하였는데, 이를 위해 최적화 문제를 3개의 하위 문제로 분리 하였다. 이를 통해 제안하는 자원 할당 기법은 최적 해와 큰 성능 차이 없이 실시간 과정을 통해 차선 해를 구할 수 있다.
넷째, carrier sense multiple access with collision avoidance, 즉 CSMA/CA 매커니즘을 지니는 Wi-Fi 네트워크와 3GPP에서 소개된 Listen-before-talk 즉, LBT 메커니즘을 지니는 셀룰러 네트워크가 비 면허 대역에 혼재 할 때, 두 네트워크의 공존 성능을 분석 한다. 이에 더하여, 셀룰러 네트워크의 LBT 파라미터 조정 함으로써 두 네트워크의 조화로운 공존이 가능한지 여부에 대해서 확인 한다. 이를 바탕으로 하여 두 네트워크의 조화로운 공존을 보장하면서 전체 네트워크 성능 향상을 이끌어 내는 최적의 셀룰러 네트워크의 LBT 파라미터를 도출 한다.
마지막으로, CSMA/CA 매커니즘을 지니는 Wi-Fi 네트워크와 LBT 매커니즘을 요구 받지 않는 셀룰러 네트워크가 비 면허 대역에 혼재 할 때, 각 네트워크의 패킷 도착 율 (packet arrival rate)의 변화에 따른 두 네트워크의 공존 성능을 분석 한다. 이를 통해 셀룰러 네트워크의 공존 메커니즘 없이 Wi-Fi 네트워크의 요구 성능을 보장해주는, 두 네트워크의 최대 패킷 도착 율을 이끌어 낸다. 이는 셀룰러 네트워크에서 Wi-Fi 네트워크의 성능 보장을 위해 언제 공존 매커니즘을 실행 해야 하는지에 대한 가이드라인을 제시한다.
