Recently, many works have been researched on the cellular ad-hoc relay (AHR) networks to extend the service coverage of base-station (BS) and to combat the impairment of the wireless channels by combining the fixed infrastructure with the AHR technology. Most of the current works consider the mobile-stations (MSs) located within the coverage of BS. If the MSs in the outage or the transmit power deficiency want to communicate reliably, the relay communication via the AHR can be enabled. The conventional call setup schemes mainly focus on the signaling in the medium access control layer for the system access via AHR and, thus, it needs to consider the practical issues for the successful call setup.
In this dissertation, we propose a call setup scheme for TDD-OFDMA based cellular AHR systems. The users that cannot obtain the direct communication link from the BS due to the outage or the power deficiency are considered.
First, we propose a preamble based system access scheme, which is motivated by the facts that the preamble sequence has the good correlation property and that the cellular users always monitor the preamble signals to find the nearby BSs and to measure the link quality. In our system access scheme, the preamble for the call request is pre-defined. Frame synchronization scheme for call request preamble (CRP) transmission of the caller is presented because the ideal arrival time of the CRP transmitted by caller is during the preamble period. The mean acquisition time of the CRP and the performance of the cellular user affected by the CRP transmission of the caller are investigated. Simulation results show that the proposed scheme can be effectively used for TDD-OFDMA based cellular AHR systems.
Once the adjacent cellular users (ACUs) detect the CRP, the ACUs send the ACK response message to the caller. However, the wireless communication of the caller via AHR may be not guaranteed due to the absence of the users providing the reliable relay path. It is crucial to get the helpful ACUs with the reliable relay capability. Therefore, to improve the relay connectivity of the caller, we propose an efficient BS paging scheme for utilizing the cellular users operating in an energy-efficient manner of the sleep and the idle mode.
As the MS moves or the wireless channel varies, the relaying path of the communicating user can be changed. The access to other ACUs for the new relying path is conducted by the ranging process in OFDMA systems of IEEE 802.16. In cellular AHR environment, the AHR checks the correlations for all possible ranging codes on the ranging channels. This requires a high computational complexity. In battery-powered AHR environment, it needs to increase the energy efficiency of the AHR and to prolong the lifetime of the AHR network by reducing the ranging complexity. Therefore, finally, we introduce a novel ranging scheme with a specific notification code to reduce the complexity of the ranging detection while providing a sufficient ranging opportunity for the small ranging success time in cellular AHR networks.
최근 기지국과 같은 고정된 기반시설 기반 셀룰라 시스템에 애드혹 (ad-hoc) 기술을 결합함으로써, 기지국의 서비스 영역을 확대시키고 무선 채널의 장애를 극복하기 위한 셀룰라 애드혹 네트워크에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 기존의 연구 중 대부분의 경우는 타겟 단말들이 기지국의 커버리지 영역 안에 위치한다고 가정한다. 실제 통신환경에서는 큰 경로 감쇄나 순간적인 기지국의 파괴와 같은 이유로 단말이 통신장애 (outage) 를 겪거나 송신 전력이 부족하여 직접적인 무선 링크로는 시스템 접속이 불가능해 질 수 있다. 이러한 경우 애드혹 릴레이를 통하여 시스템에 접속할 필요가 있는데, 적절한 호 설정 방안이 요구된다. 대부분의 셀룰라 애드혹 시스템에 관한 기존 기술들은 맥 (medium access control (MAC)) 계층에서의 시그널링에 초점을 맞추고 있는데, 물리적 계층 (physical layer) 에서의 문제점들도 살펴볼 필요가 있다.
본 논문에서는 TDD-OFDMA 시스템에서 직접 통신이 불가능한 단말들이 멀티홉을 통해서 시스템에 접속하기 위한 호 접속 방안을 연구하였다.
먼저, 본 논문에서는 프리앰블에 기반하는 시스템 접속 방안을 제안하였다. 셀의 식별 및 프레임 동기에 사용하는 프리앰블이 우수한 상관관계 값을 가지며 모든 셀룰라 단말들이 기지국 탐색 및 링크 품질 측정을 위해 항상 프리앰블 신호를 모니터 한다는 사실에 기반하여, 특정된 프리앰블 일부를 통신장애 상황인 단말의 시스템 접속을 위해 전송하는 패킷으로 사용한다고 정의하였다. 통신 장애 단말에 의해 전송되는 프리앰블이 인접 셀룰라 단말에 도착하는 이상적인 시간은 셀룰라 단말들의 프리앰블 구간이 된다. 그래서 통신 장애 단말의 효율적인 접속 요구 프리앰블 (call request preamble) 전송을 위해서 프레임 동기 방안 및 접속 요구 프리앰블 전송 방안을 제안하였다. 접속 요구 프리앰블의 평균 인식 시간 (mean acquisition time) 및 접속 요구 프리앰블의 전송으로 인해 간섭을 받은 셀룰라 단말의 기지국 프리앰블의 신호 대 잡음 및 간섭비 (SINR) 와 프리앰블 식별 확률을 분석하였다. 시뮬레이션 및 분석 결과, 제안하는 접속 방안이 시분할 직교주파수 분할 접속 (TDD-OFDMA) 방식에 기반한 셀룰라 애드혹 시스템에서 효율적으로 사용될 수 있음을 보였다.
인접한 셀룰라 단말들이 접속 요구 프리앰블을 수신하면 그 단말들은 시스템 접속을 희망하는 단말로 확인 응답 (ACK) 메시지를 보낸다. 그런데 접속을 희망하는 단말이 전송한 접속 요구 프리앰블을 인접한 많은 셀룰라 단말들이 성공적으로 검파하더라도, 릴레이 링크를 지원하기에 불충분한 무선 링크 품질을 가질 수 있다. 이러한 경우, 릴레이 링크 설정에 도움이 되는 셀룰라 단말들을 확보해야 할 필요가 있는데, 이를 위해 기지국 페이징을 활용하는 에너지 효율적인 단말 페이징 방안을 제안하였다.
단말이 이동을 하거나 혹은 채널이 시간에 따라 변화하면, 애드혹 릴레이를 통해서 통신하는 단말은 기존의 애드혹 릴레이와의 시간동기 정보를 갱신하거나 링크 품질을 업데이트 해야 한다. 또한, 새로운 애드혹 릴레이로의 접속이 요구되기도 한다. 현재 통신 서비스 중인 단말은 직교주파수 분할 접속 시스템에서 레인징 과정을 통해서 시스템에 접속할 수 있는데, 애드혹 릴레이에 접속 중인 단말의 레인징 코드 전송과 애드혹 릴레이 단말의 레인징 코드 검파로 이루어지게 된다. 여기에서 애드혹 릴레이 단말의 레인징 검파 동작은 높은 계산적 복잡도를 요구한다. 배터리 전력으로 동작하는 애드혹 릴레이 시스템 환경에서 에너지 효율적인 레인징 동작을 위해서, 레인징 통보 코드를 새롭게 정의하고 시스템에 접속을 하려는 단말이 레인징 코드를 전송하기 전에 미리 레인징 통보 코드를 전송하도록 한다. 그래서 에너지 효율적이면서도 레인징 성공 시간 (ranging success time)을 줄일 수 있도록 하였다. 성능 분석을 통해서 에너지 효율적이면서도 레인징 성공 시간이 개선된다는 것을 확인하였다.
