In this thesis, we propose a new simultaneous collision-free transmission duplexing method which can be used in wireless communication environment. Duplexing methods used in conventional communication systems are time division duplexing, frequency division duplexing and full duplexing which has been recently studied. If the link distance between the two communication nodes becomes long and time division duplexing is applied to this long propagation link, a very long time between data transmission and reception must be wasted without any action, thus the efficiency of the link becomes very poor. In case of frequency division duplexing, the inefficiency due to the propagation delay time is reduced, but the wireless radio hardware should be doubled to realize this method.
In addition, since it is necessary to use twice frequency resources, the efficiency of the frequency division duplexing is very low in terms of the frequency spectrum. Finally, in case of full duplexing, the inefficiency by propagation delay time is also reduced. However, the self-interference suppression function requires a very complicated calculation process. If this function is inaccurate, the efficiency of the full duplexing may be lowered compared with the time division duplex or frequency division duplex. In order to overcome the disadvantages of the conventional schemes mentioned above, we propose a simultaneous collision-free transmission duplexing method that is highly efficient at long propagation delay time, simple to implement, and does not require additional hardware.
In the simultaneous collision-free transmission duplexing method, a time interval slightly shorter than the propagation delay time, is set as the uplink and downlink slot times. Thereafter, when two communication nodes simultaneously radiate radio waves toward each other, there is no interference between the uplink and the downlink, so that communication can be successfully performed. We performed theoretical analysis and simulation to show the superiority of the proposed simultaneous collision-free transmission duplexing scheme. In order to reflect more realistic situation, we considered the situation where the synchronization of two nodes does not match exactly.
Next, we consider the asymmetric traffic environment. The asymmetric traffic indicates an environment in which the amounts of uplink and downlink data are not the same. The asymmetric traffic environment is supposed to be a very common environment in current networks as well as in future networks. Therefore, we propose a method to adjust the slot length of the up-down link and to find the data transmission timing to apply the simultaneous collision-free transmission duplexing scheme to the asymmetric environment. In order to verify the performance of the proposed scheme, we assumed the asymmetric traffic situation and conducted the simulation. Simulation results showed that our proposed scheme is superior to the conventional time division duplexing in various environments.
Finally, a study on the simultaneous collision-free transmission duplexing applied to the point-to-multipoint environment was conducted. In point-to-multipoint environments, link-to-link interferences have a significant impact on performance. In order to alleviate such inter-link interference, conventional dynamic time division duplexing is used to allow multiple links to only transmit uplink or downlink simultaneously. However, the simultaneous collision-free transmission duplexing scheme cannot use this method because of interference. We compared the performance of the simultaneous collision-free transmission duplexing with high efficiency and interference with that of dynamic time division duplexing with low efficiency and less interference. Through theoretical analysis, the upper bounds of the performance of each system was derived, and the minimum inter-link isolation level for the simultaneous collision-free transmission duplexing was applied to the point-to-multipoint environment. Then, it was confirmed that the simultaneous collision-free transmission duplexing outperformed dynamic time division duplexing in realistic isolation level and propagation delay time environment.
본 학위논문에서는 무선 통신 환경에서 사용 가능한 새로운 비충돌 동시 송신 이중화 방법을 제안한다. 기존 통신 시스템에서 사용된 이중화 방법으로 시간 분할 이중화, 주파수 분할 이중화 그리고 최근 많은 연구가 이루어진 전 이중화가 있다. 두 통신 노드 사이 거리가 멀어져 전파 지연 시간이 긴 링크에 시간 분할 이중화를 적용하면 데이터 전송과 수신 사이 매우 긴 시간을 아무 동작 없이 기다려야 하고 따라서 링크의 효율은 매우 나빠진다. 주파수 분할 이중화의 경우 전파 지연 시간에 의한 비효율은 감소하지만 이를 구현하기 위해 무선 라디오 하드웨어를 두 배로 사용하여야 한다. 또한, 매우 귀중한 주파수 자원을 두 배로 사용하여야 하므로 주파수 스펙트럼의 관점에서 주파수 분할 이중화의 효율은 매우 낮다고 고 수 있다. 마지막으로 전 이중화의 경우, 마찬가지로 전파 지연 시간에 의한 비효율은 감소한다.
하지만 자기 간섭 완화 기능이 소프트웨어, 하드웨어로 구현되어야 한다는 단점이 있다. 자기 간섭 완화 기능은 매우 복잡한 계산 과정이 필요하고 이 기능이 부정확하면 오히려 시간 분할 이중화 혹은 주파수 분할 이중화에 비해 전 이중화의 효율이 떨어질 수 있다. 위에서 언급한 기존 방안들의 단점을 극복하기 위해 긴 전파 지연 시간 환경에서 높은 효율을 보이며 구현이 간단하고 추가적인 하드웨어가 필요하지 않은 비충돌 동시 송신 이중화 방법을 고안하였다.
비충돌 동시 송신 이중화 방법에서는 전파 지연 시간보다 조금 짧은 시간을 상향 링크와 하향 링크의 슬롯 시간으로 설정한다. 이후 두 통신 노드가 서로를 향해 동시에 전파를 방사하면 상향, 하향 링크 사이 간섭이나 겹침이 없어 성공적으로 통신을 할 수 있다. 제안한 비충돌 동시 송신 이중화 방안의 우수성을 보이기 위해 이론적 분석과 모의실험을 수행하였다. 이때 좀 더 현실적인 상황을 반영하기 위해 두 노드의 동기가 정확히 맞지 않는 상황을 고려하였다.
다음으로 고려한 상황은 비대칭 통신량 환경이다. 비대칭 통신량은 상향 링크와 하향 링크의 데이터의 양이 같지 않은 환경이다. 현재 동작하는 네트워크를 포함해 미래의 네트워크에서도 비대칭 통신량 환경은 매우 일반적인 환경으로 예측된다. 따라서 비대칭 트래픽 환경에서 비충돌 동시 송신 이중화 방안을 적용하기 위해 상향 하향 링크의 슬롯 길이를 조절하는 방법과 데이터 전송 타이밍을 구하는 방법을 제안하였다. 제안 방안의 성능을 검증하기 위해 비대칭 통신량 상황을 가정하고 모의실험을 진행하였다. 모의실험 결과를 통해 제안 방안이 여러 환경에서 기존 시간 분할 이중화에 비해 우수함을 확인할 수 있었다.
마지막으로 점대다점 환경에 적용된 비충돌 동시 송신 이중화 방안에 관한 연구를 진행하였다. 점대다점 환경에서는 링크 간 간섭이 성능에 큰 영향을 미친다. 이러한 링크 간 간섭을 완화하기 위해 기존에는 동적 시간 분할 이중화를 사용하여 여러 링크가 동시에 상향 전송 혹은 하향 전송만 일어나도록 한다. 하지만 비충돌 동시 송신 이중화 방안은 이러한 방법을 사용할 수 없어 간섭이 발생한다. 효율은 높지만 간섭이 발생하는 비충돌 동시 송신 이중화 방안과 효율은 낮지만 간섭이 덜 발생하는 동적 시분할 이중화의 성능을 비교하였다. 이론적 분석을 통해 각 시스템의 성능 상한을 도출하였고 비충돌 동시 송신 이중화 방안을 점대다점 환경에 적용하기 위한 최소 링크 간 격리도를 도출하였다. 이를 통해 비충돌 동시 송신 이중화 방안이 현실성 있는 격리도와 전파지연시간 환경에서 동적 시간 분할보다 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였다.
