In this thesis, we aim to improve the performance of the coexisting networks based on game theory. Coexisting networks refer to the network which consists of multiple radio access technologies (RATs) sharing the same frequency band. Such a coexisting network, inter-RAT interference is the most major factor for degrading the throughput performance. Thus, in this thesis, we apply game theoretic approaches to reduce the inter-RAT interference. However, it is hard to formulate non-cooperative game since the gain and loss of players are vague. On the other hand, in cooperative game model, we can reach the better equilibrium point through bargaining or collaborative behavior.
In the first part, we propose the transaction among macrocell and APs with the use of data offloading and almost blank subframe (ABS). Each AP admits the offloaded data from macrocell and obtains more ABS. With the proposed scheme, each player can serve its subscribers who has better channel condition. We verify the 45 % gain of proposed algorithm by means of a simulation.
In the second part, we suggest bargaining among location-based groups when a macrocell uses beamforming technique. If the macrocell can make the beamforming pattern, ABS can be applied spatially. APs that are not in the beam direction can support their receivers with low interference level. Therefore, we first group the users according to their locations and formulate bargaining game among groups. With ABS and beamforming, we can notice that the throughput is improved by 40 %, compared to conventional schemes.
In the third part, we proposed network operator selection based on reinforcement learning. If there are multiple network operator, APs have to determine appropriate network operator to cooperate with. From the selected network operator, APs can receive reserved resource of network operator. Thus, APs should know the traffic information of network operators. To collect traffic information, we adopt reinforcement learning algorithm. Using reinforcement learning, APs adaptively change network operator. From the simulation, the throughput is improved by 20 %.
Above three schemes are based on game theory framework. Since we utilized game theory, proposed algorithms could consider the incentives of every player. Moreover, proposed algorithm runs with low complexity compared to optimal algorithm. Thus, we expect that our proposed algorithm can be widely used in coexisting communication networks.
이 학위논문은 게임 이론을 이용한 공존 통신망의 성능 향상을 목적으로 한다. 공존 통신망은 같은 주파수 대역에 두 개 이상의 다른 무선 접속 통신 기술이 적용된 통신망을 의미한다. 해당 통신망에서 성능을 저하시키는 가장 주된 요인은 다른 무선 접속 통신 기술 간 발생하는 간섭이다. 따라서 본 학위논문에서는 해당 간섭을 줄일 수 있는 여러 가지 공존 방안에 대해 게임이론 기반의 접근 방식을 택하였다. 하지만 기존의 비협력적 게임 이론에 기반해서는 서로의 이득과 손해를 제대로 정의하기 어려워 각 무선 접속 기술이 효과적으로 공존하기 어려워진다. 반면 협력적 게임 모델을 사용하는 경우, 집단 간의 협력 또는 협상을 통해 기존의 비협력적 게임 모델보다 더 나은 평형점에 도달할 수 있게 된다. 따라서 본 논문에서는 협력적 게임 모델을 사용하여 공존 통신망에서의 공존 방안을 다루었다.
먼저 첫 주제에서는 데이터 오프로딩과 거의 빈 서브프레임 (almost blank subframe; ABS)을 플레이어 간의 거래 주체로 삼아 공존 통신망의 성능을 향상시키는 방법을 제안하였다. 각 무선 접속 지점은 매크로 기지국으로부터 데이터를 오프로딩받고, 더 많은 ABS를 얻는다. 해당 방안을 이용하면, 각자 플레이어마다 서로 채널 상태가 좋은 단말들에게 전송을 하게 되기 때문에 전체적인 네트워크 전송 효율이 향상된다. 제안 방안은 협조적 연합 게임을 통해 각 무선 접속 지점으로 오프로딩해야 하는 데이터 양과 ABS의 양을 결정한다. 또한 제안 방안에 두 가지 공평성을 적용하여 어떤 무선 접속 지점에 얼마만큼의 오프로딩 데이터를 분배해야 하는지의 문제를 다루었다. 제안 방안을 통해, 공존 통신망의 전체 통신 용량이 기존 방안 대비 약 45% 증가하는 것을 확인하였다.
두 번째 주제에서는 매크로 기지국에서 빔포밍을 사용하는 경우의 ABS 사용 방안을 협상 게임 이론에 기반하여 제안하였다. 매크로 기지국에서 빔포밍을 사용하는 경우, 빔 방향을 이용해 ABS를 더욱 더 효율적으로 사용할 수 있다. 빔 방향과 다른 방향에 있는 무선 접속 지점의 경우 보다 적은 간섭으로 사용자를 지원할 수 있기 때문이다. 따라서 제안 방안은 위치를 기반으로 같은 방향에 있는 무선 접근 지점 및 사용자를 묶고 그 그룹 간의 자원 협상 게임을 설계하였다. 자원 협상 게임의 해를 구하기 위해 내쉬 협상 해(Nash bargaining solution; NBS)의 개념을 적용하여, 해당 게임을 최적화 문제로 치환하여 협상의 해를 구하였다. 빔포밍과 ABS를 함께 사용하는 제안 방안을 이용한 결과, 네트워크의 통신 용량이 기존 방안 대비 약 40% 이상 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
세 번째 주제에서는 다수의 통신 사업자가 존재하는 경우를 다루었다. 이 경우 무선 접속 지점이 어떤 통신 사업자와 협력해야 하는지에 대한 문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해, 기계 학습 방안을 도입하여 각 무선 접속 지점의 통신 사업자 선택 문제를 해결하였다. 그 뒤 제안한 기계 학습 방안의 여러 가지 성질에 대해 논의하고 증명하였다. 시뮬레이션을 통해 제안 방안을 사용했을 때의 성능을 검증한 결과 임의적인 통신 사업자 선택 대비 20% 이상의 통신 용량 향상을 확인하였다. 세 가지 제안 방안 모두 게임 이론의 틀을 사용하여 모든 무선 접속 지점 및 사용자에게 비협조 대비 성능 이득을 가져오고, 그 평형점을 구할 때 낮은 복잡도와 적은 오버헤드를 요구한다. 따라서 제안 방안은 공존 통신망의 공존 방법으로 널리 적용될 수 있을 것으로 예상한다.
