With increasing demands for mobile data traffic and efforts for a better QoS, many base stations (BSs) consume a lot of electrical power with huge electricity bill. Many practical solutions including determining the coverage of BS is considered to enhance the spectral efficiency. In this dissertation, we study a distributed user association policy for two-type of system, where the one is non-BS sharing, in which each mobile network operator (MNO) independently operates his own BSs, and the other one is BS sharing, in which an MNO’s BS is allowed to serve traffic from nearby users subscribing to other MNOs with being paid a certain roaming fee. For the non-BS sharing system we propose a novel user association algorithm which is well compatible with a variety of user scheduler while providing robustness to network dynamics in distributed manner. We demonstrate through extensive simulations that our proposed algorithm outperforms the existing algorithms. For BS sharing system, we investigate pricing and user association policies that assure actual gains to each MNO with saving BS power consumption by formulating a game that jointly involves strategic decision of roaming pricing and user association. We consider a time scale separation where user association decision made at a faster time scale than pricing decision and separate the game to user association game and pricing decision game. For the user association game, we prove that (i) the game is an exact potential game, (ii) there exists a unique pure Nash equilibrium, and (iii) a distributed algorithm converges to the unique Nash equilibrium. We also analyze pricing decision game and prove that (i) there exists a unique pure Nash equilibrium, and (ii) the best response dynamic converges to the Nash equilibrium. Finally, we demonstrate that there exists a significant degree of economic gain including energy saving through extensive simulations.
급증하는 모바일 데이터 트래픽 수요와 이동통신망 사업자의 경쟁으로 현재의 이동통신망은 기지국들이 무분별하게 매우 높은 밀도로 설치되어있다. 하지만, 높은 밀도로 설치된 기지국들은 많은 에너지 소모를 초래하여 사업자의 망 운영비용을 높이며, 나아가서 소비자의 사용료를 증대시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방법들이 논의되어 왔으며, 무선 통신 채널의 품질과 기지국의 부하를 고려하여 기지국 커버리지를 결정하는 방법 역시 하나의 방안으로 제안되어 왔다. 특히, 5세대 이동통신에서는 사업자간 기지국 공유를 통해 사용자를 좀 더 가까운 기지국으로부터 서비스를 받게 하여 주파수 효율을 높이는 방식이 제안되었고, 이를 적극적으로 활용하기 위해서는 새로운 방식의 기지국 커버리지 결정 방식이 필요한 상황이다. 따라서, 본 학위 논문에서는 주파수 효율을 높이는 기지국 커버리지 결정 방법에 대해 연구하였다. 구체적으로 본 학위 논문에서 고려한 환경은 각각의 망 운영자가 독자적으로 자신의 기지국을 운영하는 환경과 망 운영자가 서로의 기지국을 공유/사용하고, 로밍비를 통해 다른 사업자에게 기지국 사용료를 지불하는 환경을 고려하였으며, 각 환경에 대해 주파수 효율을 극대화 시키는 기지국 커버리지 결정 방식을 제안하여 사용자에게 적절한 서비스 품질을 보장하면서도 망 운영비용을 최소화하였다.
먼저, 각 사업자가 독자적으로 자신의 기지국을 운영하는 경우, 기존에 제안되어 왔던 방식들의 치명적인 단점인 다양한 스케줄러에 대한 호환성과 사용자의 이동성과 같은 네트워크 환경 변화에 대한 취약성을 개선하여 주파수 효율을 높이고자 하였으며, 셀 커버리지를 결정하는 분산형 사용자 연관 알고리즘을 개발하여 중앙집중형 알고리즘이 요구하는 무수히 많은 제어신호의 교환을 최소화 하고자 하였다. 제안한 분산형 알고리즘의 핵심 아이디어는 최적화 문제의 수학적인 제한 조건을 완화시켜 문제의 복잡도를 크게 낮추어 도출한 근사화된 최적의 사용자 연관 알고리즘을 매순간 에뮬레이션 하고, 에뮬레이션의 통계적인 결과를 이용하여 각 사용자가 확률적으로 자신이 서비스 받을 기지국을 선택하는 방식을 통해 다양한 스케줄러에 대해서도 최적인 결과를 잘 반영하고, 확률적 선택을 통해 좀 더 유연하게 네트워크의 환경 변화에 대응하는 것이다. 본 학위 논문에서는 실제로 구현된 3세대 이동통신망의 기지국 분포 환경을 재현한 시뮬레이션을 통해 제안한 알고리즘이 다양한 스케줄러와 다양한 네트워크 변화에 대해서 기존의 방식에 비해 더 나은 성능을 보임을 확인하였다.
마지막으로, 기지국 공유를 통해 각 사업자가 다른 사업자의 사용자를 적절한 로밍비를 받고 서비스 해주는 환경에서 분산형 사용자 연관 알고리즘 및 로밍비 결정 방법, 사업자의 이윤 및 에너지 절감 효과를 게임이론을 통해 분석하였다. 본 학위 논문에서 제안한 게임 모델에서는 각 사업자가 자신의 이윤을 극대화 시키기 위해 로밍비와 사용자 연관을 전략적으로 결정하는 상황을 고려하였으며, 커플링되어 있는 두 전략을 시간 단위에 따라 나누어 전체게임을 각 전략에 따라 빠른 시간단위로 풀어야하는 사용자 연관 게임과 비교적 느린 시간단위로 풀어야하는 로밍가격 결정 게임으로 나누어 접근하였다. 먼저, 사용자 연관 게임에서 우리는 게임이 포텐셜 게임임을 밝혔으며, 네쉬 균형점의 존재성과 유일성을 증명하고, 네쉬 균형점을 도달하는 분산형 사용자 연관 알고리즘을 개발하였다. 비교적 느린 시간 단위로 풀어야하는 로밍가격 결정 게임에서는 네쉬균형점의 존재성과 유일성을 증명하였고, 상대방의 로밍가격에 대한 최적응답 기법으로 네쉬 균형점에 도달할 수 있음을 보였다. 또한, 제안한 알고리즘의 성능과 망공유를 통한 사업자의 이윤 및 에너지 절감효과를 영국 런던의 3세대 이동통신망 기지국 분포 환경에서 시뮬레이션 하여 분석하였으며, 이를 통해 막대한 량의 이윤개선과 에너지 절감이 기지국 공유를 통해 이루어질수 있음을 입증하였다.
