With the explosive growth of mobile traffic, a demand for additional radio resource has been increased. Given the limited quantities of available spectrum for wireless communication systems, a framework of spectrum sharing has been considered in many regulatory domains such as FCC, ECC, and Ofcom[1,2].
Especially TV white space[3,4,5]. Secondary users (SUs) to be allowed for utilizing these bands have to protect primary users (PUs) that are granted the license with high priority on occupancy of a channel.
To this end, in case of TVWS, SUs shall access a geo-location TV database for the purpose of obtaining a list of available channel and the allowable maximum level of transmission power at the certain position.
For protection of radar system on 5 GHz band, SUs should have functionalities on dynamic frequency
selection and transmission power control not to make a harmful interference into radar system in the
vicinity of SUs. Additionally, because there would be multiple SUs on the same channel over the shared
spectrum, SUs also take into account the coexistence with other SUs which can be either the same or
dierent type of systems. For this reason, listen-before-talk (LBT) based channel access mechanism
(CAM) is generally specied in the specifications of communication system (e.g. CSMA/CA in IEEE
802.11 for Wi-Fi) or regulatory requirements. In European regulatory domain, two types of CAMs for
5GHz unlicensed band are defined. With the advent of LTE in unlicensed (LTE-U) band, the CAM
particularly has become important issue due to the coexistence between Wi-Fi and LTE-U.
In this dissertation, we investigate transmission strategies for SUs with multiple antenna on the
TVWS under the condition of limited transmission power and analyze two types of channel access
mechanism specified by European regulatory domain.
In Chapter 2, it is considered that the transmission power of white space device (WSD) using multiple
transceiver antennas on TVWS is restricted by the location probability based geo-location database.
Also, it is assumed that channel estimation error is present at WSD receiver which exploits zero-forcing
linear processing. Under these conditions, we analyze the achievable throughput. Based on the analytic
results, we propose a dynamic WSD transmission strategy that WSD transmitter rst determines the
number of active transmit antennas according to the WSD operational parameters obtained from the
geolocation database. For further improving the WSDs performance, the WSD receiver can select the
active transmit antennas based on instantaneous CSI at receiver (CSIR) and report their indices to the
WSD transmitter with a very low feedback overhead. Here, to reduce the computational complexity, it
is proposed that a low-complexity antenna selection method requires a single matrix inversion operation.
In Chapter 3, two types of channel access mechanisms on 5 GHz unlicensed band, frame based
channel access mechanism (FBCAM) and load based channel access mechanism (LBCAM), are analyzed
in terms of normalized network throughput. The analytic expressions on CAMs are derived based on the
Markov chain model. In case of FBCAM, since exact expression is not derived as a closed form due to
its inherent mechanism, approximate solution with closed form is also provided. From simulation results
it is shown that the provided analytic expressions are validated.
For further study, it is considered that the transmission strategies in terms of minimization of bit
error rate (BER) performance for WSD on TVWS and the CAM with enhancing the fairness on 5GHz
band. Similar as maximization of achievable throughput, the BER performance of MIMO WSD could be
affected on the number of transmit antennas under the restriction of allowable transmission power level.
In this perspective, there will be the investigation on transmission strategies based on an analytic results on BER performance. With regard to CAM, FBCAM could provide an outstanding network throughput
performance. However, it is not ensured that the fairness between SUs is achieved due to the fxed frame
period. Therefore it is necessary to enhance the fairness without significant loss of network throughput.
The conclusions on dissertation will be provided after further studies on above subjects.
스마트 무선단말기의 보급에 따라 멀티미디어 서비스로 인한 모바일 트래픽이 급증하고 있으며, 이를 수용하기 위한 신규 무선자원 요구가 증가하고 있다. 그러나 6GHz 이하에서 주파수 대역에서는 이용가능한 주파수 자원이 부족하여 서로 다른 문선기기가 주파수 자원을 공유하는 스펙트럼 공유(Spectrum Sharing)에 관한 관심이 높아지고 있는 실정이다. 최근 주파수 관리 정책 변화의 일환으로 미국 FCC, 유럽 ECC 그리고 영국 Ofcom은 주파수 공유를 위한 기술기준 및 개방형 주파수 관리정책을 마련하고 있으며, 학계 및 산업계에서는 TV 화이트 스페이스와 5GHz 비면허대역을 활용한 주파수 공유기술 연구가 활발히 진행되고 있다. 스펙트럼 공유는 공유 주파수 및 공유대상에 따라 수직적 공유(Vertical Sharing)와 수평적 공유(Horizontal Sharing)으로 구분할 수 있다. 수직적공유는 면허권이 부여되었거나 공공/공익 목적으로 우선권이 높은 서비스가 존재하는 대역에서 지역적으로 사용되지 않는 시간 동안 다른 무선기기(2차사용자)가 주파수 자원을 이용하는 것이다. 따라서 2차 사용자는 기존 서비스를 보호할 의무가 있으며, 주파수 관리국에서는 이용 기술수준을 정의하여 간섭 문제를 최소화한다. TV화이트스페이스의 경우 Geolocation 데이터베이스에 접속하여 위치 정보를 입력하고 이용 가능한 채널과 허용된 송신전력(유럽, 영국) 정보를 수신한 2차 사용자 만이 해당 대역에서 동작이 가능하다. 5GHz비면허대역에서도 레이더 시스템을 보호하기 위하여 2차 사용자는 정의된 파라메터로 채절을 주기적으로 센싱하여 레이더 신호가 검출되면 다른 채널로 이동(Dynamic Frequency Selection)하도록 하고 있다. 수평적공유는 동등한 주파수 이용 권한을 가지는 2차 사용자 사이의 자원 공유를 의미한다. 수직적 공유처럼 채널을 비워주는 것이 아니라 채널이 점유되어 있지 않으면 통신을 수행하는 Listen-Before-Talk(LBT) 기능으로 서로 다른 무선기기와 자원을 공유하게 된다. 본 논문에서는 수직적공유환경과 수평적공유환경에서의 2차 사용자를 위한 주파수 공유기술에 대한 제안 및 분석을 수행한다.
제 2장에서는 유럽의 Location Probability(LP)에 따라 동작하는 다중안테나를 가진 TV화이트스페이스 장치(TVBD)에 대한 전송전략을 제안한다. TVBD의 위치 정보에 따라 사용 가능한 송신전력이 제한되는 환경에서 Zero-Forcing 기반 다중안테나 수신기의 채널추정에러는 전송률 저하 문제를 야기할 수 있다. 따라서 Achievable Throughput이 최대가 되도록 다중안테나의 송신 안테나 수를 제한하고 복잡도를 최소화한 안테나 선택 알고리즘을 제안하다.
제3장에서는 유럽의 5GHz비면허대역 채널 접속절차를 분석하고 수학적 모델링을 제시한다. IEEE 802.11 무선랜의 분석방법을 기반으로 Load 기반 접속방식을 분석하였으면, 프레임의 시작 위치를 확률 분포로 모델링하여 Frame 기반 접속방식을 분석하여 시뮬레이션 결과와 수학적 모델링이 일치하는 것을 확인하다. 또한 Frame 기반 방식의 공평성(Fairness)를 향상시키기 위하여 2중 Frame 기반 접속방식을 제안한다.
제4장에서는 서로 다른 채널접속 방식을 사용하는 이종 기기가 공존한 환경에서 시스템레벨 시뮬레이션을 통한 접속방식별 공존영향을 분석한다. 먼저 유럽의 두 가지 채널접속 방식 및 무선랜이 공존하는 다양한 시나리오에서의 성능분석을 수행한다. 또한 최근 5GHz 비면허대역을 활용하기 위한 LTE-U 포럼의 LTE-U와 3GPP Release-13의 LTE-LAA가 무선랜과 공존하는 환경에서의 분석을 수행한다.