This dissertation studies the feasible ways to capacity expansion after an initial cloud radio access network (C-RAN) deployment. An additional installation of fiber fronthaul and wireless fronthauling is realistically difficult to implement from a cost perspective and also from a geographical point of view. Therefore, the capacity expansion of initial C-RAN architecture is the practical challenges to address. In this dissertation, we propose two feasible approaches to increase capacity after an initial C-RAN deployment. First, we present a variant of C-RAN architecture, which we term partly wireless C-RAN (PW-CRAN). It is characterized by extra radio nodes connected through the existing remote radio heads (RRHs). Because of the newly connected nodes and the consequent additional delay, the operation of PW-CRAN requires different approaches compared with that of the typical C-RAN. Specifically, the effect of delayed channel state information (CSI) on the suitability of network cooperation should be identified. To tackle this problem, we introduce two representative cooperation strategies and evaluate the performance with regard to the delay via simulations. Numerical results suggest that it is better to exclude the extra nodes from cooperation if they incur excess delay. Furthermore, whether the delay is deemed excessive depends on the interference environment. Hence, we provide quantified guidelines on the cooperation strategy of PW-CRAN. Moreover, we carry out the extended performance evaluation for the special case of proposed PW-CRAN in which there exist the same number of extra w-RRHs as the number of c-RRHs supporting the unchanged user demands. To be specific, simulation results clearly show that the advantageous MIMO gain obtained from the use of supplementary w-RRHs and the impact of network size on the achievable spectral efficiency (SE) performance. Additionally, the impact of fronthaul capacity limitation on the PW-CRAN performance is evaluated, thus demonstrating that the cooperation strategy should be adjusted to the conditions of fronthaul capacity in PW-CRAN. Next, we consider the possibility of capacity expansion from cooperation between different C-RAN operators. In general, cooperation of co-located mobile network operators can provide potential benefits for the capacity expansion without further densification of radio nodes. However, such benefits need to be scrutinized for coexisting C-RAN operators because the inter-operator cooperation may compromise the superb interference coordination capability that each C-RAN has. Furthermore, altering C-RAN infrastructure for the cooperation may incur a high investment cost. In this context, we evaluate quantitative gain of inter-operator coordination strategies to provide the C-RAN operators with a guideline on their cooperation decisions. The coordination strategies encompass dynamic user association and the spectrum sharing which aim at maximizing the total user throughput. We propose a heuristic algorithm that reduces the computational burden of the coordination significantly. Numerical results suggest that the inter-operator cooperation is beneficial particularly when the network size of each operator tends to be highly asymmetric. It is also verified that the users who belong to smaller network attain more coordination gains.
이 논문은 초기 클라우드 무선 접속 네트워크 (C-RAN)가 배치 된 후 용량 확장을 위해 가능한 방법들에 관해 다루고 있다. 프론트홀의 추가적인 설치가 현실적으로 비용이나 지리적인 관점에서 힘들기 때문에 초기 C-RAN 배치 후 용량을 확장하는 것은 실제적으로 해결하기 힘든 문제라 할 수 있다. 이 논문에서는 우리는 초기 C-RAN 배치 후 용량 증대를 위한 두 가지 가능한 접근 방식을 제안한다. 먼저, C-RAN 구조의 변형된 형태인 PW-CRAN을 제안한다. 이는 기존 원격 라디오 헤드에 추가로 연결된 무선 노드를 특징으로 한다. 새롭게 연결된 노드와 그로 인한 부가적인 지연 때문에 PW-CRAN의 운영은 기존의 C-RAN과 다른 접근법을 필요로 한다. 특히, 지연된 채널 상태 정보가 네트워크 협력의 적합성에 미치는 영향을 파악하는 것이 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 두 가지 대표적인 협력 전략을 소개하고 시뮬레이션을 통해 지연에 대해 성능 평가를 수행한다. 모의 실험 결과는 과도한 지연이 발생하는 경우에는 추가 노드를 협력에서 제외하는 것이 더 좋다는 것을 보여준다. 또한, 지연이 과도한지 아닌지 간주하는 것은 간섭 환경에 의존적이다. 따라서 우리는 PW-CRAN의 협력 전략에 대한 정량화된 가이드라인을 제공한다. 나아가, 우리는 추가 무선 노드, 즉 w-RRH가 기존 원격 라디오 헤드, 즉 c-RRH와 동일한 개수이며 사용자 요구가 변하지 않는 특수한 경우에 대해 확장된 성능 평가를 수행한다. 구체적으로, 시뮬레이션 결과는 보충된 w-RRH로부터 MIMO 이득을 얻을 수 있다는 것을 보여주며, 스펙트럼 효율 성능에 대한 네트워크 크기의 영향을 보여준다. 또한 PW-CRAN 성능에 대해 프론트홀 용량 제한의 영향을 평가하고 이는 협력 전략이 PW-CRAN에서의 프론트홀 용량 조건에 따라 조정되어야 한다는 것을 입증한다. 다음으로, 우리는 다른 클라우드 무선 접속 네트워크 운영자 간의 협력으로 인한 용량 확장 가능성을 고려한다. 일반적으로 특정 장소에 함께 배치되어 있는 모바일 네트워크 사업자 간의 협력은 무선 노드들의 추가적인 밀집화 없이도 용량 확장의 잠재적 이득을 제공할 수 있다. 하지만, 상호 운영자 간 협력은 각각의 C-RAN이 가진 탁월한 간섭 조정 능력을 손상시킬 수 있기 때문에 이러한 이점은 공존하는 C-RAN 운영자들에 있어서는 면밀히 조사할 필요가 있다. 또한 C-RAN 인프라를 변경하는 것은 높은 투자 비용을 발생시킬 수 있으므로, 이러한 맥락에서 우리는 C-RAN 운영자들에게 협력 결정에 대한 가이드라인을 제공하기 위해 C-RAN 사업자 간 상호 협력으로부터 얻을 수 있는 정량적인 이득을 평가한다. 이러한 협력 전략은 동적 사용자 association 및 스펙트럼 공유를 포함하며 이는 전체 사용자 데이터 처리량을 최대화 하는 것을 목표로 한다. 또한 우리는 협력의 계산 복잡도를 상당히 줄이는 휴리스틱 알고리즘을 제안한다. 모의 실험 결과는 운영자 간 상호 협력이 특히 각 운영자들의 네트워크 크기가 비대칭적인 경향을 보일 때 더 유용하다는 것을 보인다. 또한 더 소규모인 네트워크에 속한 사용자가 더 큰 협력 이득을 얻는다는 것을 확인하였다.
