Multimedia services such as video-telephony, DMB (Digital Multimedia Broadcasting), VOD (Video on Demand) are the major applications of the wireless communication systems. Unlike the voice communications, those kinds of services have to be served with high quality of service (QoS) and high data rate. For sufficient guarantee of those services, not only the hardware system with high performance but also wireless transmission technology regarding PHY layer, MAC for RRM (Radio Resource Management) are necessary. Moreover, advanced transmission technologies such as MIMO-OFDMA (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiple Access), cooperative communication, and MMR (Mobile multi-hop relay) that aim at the performance improvement of entire system throughput or point-to-point link need to be studied as key technologies applicable in 4G communication networks.
Among them, relay and cooperative communication techniques are very attractive method for the next generation mobile system. However, those are not perfectly effective technologies, if inefficient RRM schemes are adopted in systems. In this case, we can’t expect enhancement of overall system performance. In this dissertation, we focus on the issue of RRM in aspects of relay selection and switching protocol, mobile relay selection algorithm, and cooperation strategy for relay diversity gain.
One of major issues in cooperative communications with relays is how to select a relay for the better system performance. However, in selecting a relay station (or node), frequent relay switchings may occur in existing schemes. In Chapter 2, we consider the issue of inefficient use of radio resources due to frequent relay switchings in overhead constrained cooperative relay networks. A threshold-based relay switching protocol is proposed for enhanced achievable capacity and efficient RRM while preventing frequent switchings. We analyzed the achievable capacity under fading channels from the derived switching probability and ergodic capacity analysis. Also, the optimal threshold value is provided by formulating a convex optimization problem. Numerical results reveal the advantage of the proposed protocol over conventional opportunistic relay selection protocols. Furthermore, we extend our protocol to more general networks such as multi-hop relay and relays with multiple channels with the extended derivation of our analysis.
For mobility issue, a mobile relay selection algorithm based on statistic channel information is proposed in order to efficiently utilize system-wise resources in Chapter 3. In the algorithm, we adopt level crossing rate (LCR), which is known to reflect mobility in terms of fading, as a selection metric for choosing a relay node with the most reliable channel. In addition, a switching condition to reduce frequent reselection is incorporated into the selection, since during switching process system resource is wasted for signaling causing performance degradation. System performance is evaluated in terms of the number of relay switching and achievable throughput.
Various cooperative relay schemes have been proposed to improve capacity by increasing link quality and diversity gain. However, there is no study about relay scheme in multiple cooperative relay network environments which means that more than one relay are cooperatively operated in same domain : time, frequency and space. In conventional relay scheme, Relays operates individually and independently, so resources are allocated exclusively due to interference. It brings inefficient and nonflexible use of resources problem. Therefore, although it brings the increase of performance for specific relay coverage, total system performance is not improved. To solve this problem, we propose a novel relay system model and frame structure. Also, cooperation strategy of multiple relays for adaptive transmission modes which maximizes diversity gain is described. Simulation shows our proposed scheme has better performance compared with existing schemes.
최근 이동통신 사업자는 영상 통화, DMB, VOD와 같은 멀티미디어를 주요한 서비스로 제공하고 있다. 음성통화와는 다르게 이러한 종류의 서비스는 신뢰성이 높고 안정적인 수준의 고품질 고용량의 전송을 보장해야 한다. 각 데이터 전송 서비스를 제공하기 위한 최소한의 요구조건을 만족하기 위해서는 고사양의 하드웨어 단말 기술 뿐만 아니라, PHY 단에서의 전송 제어 기술, MAC의 자원 관리 기법들의 기술들의 연구가 필요하다. 이를 위해 MIMO-OFDMA, 협력 통신, 멀티홉 릴레이와 같은 진화된 기술들이 개발되었고, 이는 시스템과 개별 링크의 전송 성능을 향상시키기 위한 주요한 차세대 이동통신 전송기술이다.
그중에서 릴레이와 협력 통신 기술은 차세대 통신 시스템에 적용 가능한 매력적인 전송 기술로 주목받고 있다. 그러나 이러한 기술은 비현실적인 릴레이의 적용, 예측할 수 없는 릴레이 단말의 움직임, 그리고 비효율적인 무선 자원관리 기법들로 인해 완벽하게 효과적인 방법이 되지 못하고 있다. 이 기법들로 인해 point-to-point 링크의 전송율 개선은 확실하나 전체 시스템 성능의 향상은 보장할 수 없다. 이 논문에서는 위에서 언급된 문제점 중 기존 연구에서 주요하게 다루어지지 않았던 무선자원관리 관점의 릴레이 네트워크에 대한 연구를 수행하였다. 특히, 릴레이 선택 및 스위칭 프로토콜, 모바일 릴레이를 위한 선정 알고리즘, 그리고 자원 효율성을 증대시키는 릴레이 활용과 다중화 프로토콜을 제안하고자 한다.
협력 통신에서 주요한 이슈중의 하나는 시스템 성능을 개선하기 위한 릴레이 노드 선정 기법이다. 기존 연구에서 outage와 BER 성능관점에서 최선의 릴레이 방식이 제시되었지만, 빈번한 스위칭을 야기하는 문제점을 갖고 있다. 2장에서 우리는 시스템 오버헤드가 존재하는 시스템에서 빈번한 스위칭으로 인해 무선자원이 비효율적으로 사용되는 이슈를 다루고 이를 해결하는 알고리즘을 제안한다. 스위칭을 제어함으로써 달성 용량과 자원이용 효율을 개선하기 위한 임계값 기반의 릴레이 스위칭 프로토콜이 제안된다. 페이딩 채널하에서 달성 용량은 유도된 스위칭 확률과 ergodic 용량에 의해 전개될 수 있다. 또한 최적 임계값은 convex 문제로 formulation함으로써 구할 수 있다. 수치해석의 결과 제안된 프로토콜은 기존 기회주의적 릴레이 선정 프로토콜보다 높은 성능 이점을 가져다 주었다는 것을 입증하였다. 더욱이, 우리는 제안 기법이 멀티홉, 멀티 채널과 같은 일반적인 릴레이 네트워크로 확장될 수 있음을 보인다.
3장에서는 이동 릴레이 시스템을 가정한 릴레이 선정 알고리즘을 제안하였다. 시스템 자원의 이용효율을 개선하는 목적의 통계적 채널 정보 기반의 이동 릴레이 선정 알고리즘을 제안하였다. 알고리즘에서 페이딩 상황에서 채널의 이동성을 반영하기 위해 LCR 파라미터를 도입하였다. 게다가 빈번한 릴레이 재선정을 방지하기 위한 스위칭 조건을 두었다. 채널 상태가 안정적인 릴레이를 초기에 선정한 후 빈번한 스위칭을 제어함으로써 자원 이용 효율을 증가시킬 수 있고 이로써 전송 성능을 개선할 수 있었다.
4장에서는 공간 다중화 이득으로 채널의 품질을 개선하기 위한 협력 릴레이 다중화 기법을 제안하였다. 기존 연구에서는 다중 릴레이 환경에서 간섭의 영향을 최소화 하기위해 각각의 릴레이들은 시간 및 주파수 영역에서 개별적, 그리고 독립적으로 동작하였다. 그러나 이와 같은 릴레이의 활용은 자원을 비효율적으로 할당하게 만들기 때문에 릴레이 영역의 링크의 채널 품질은 개선될 수 있지만 전체 시스템 성능은 필연적으로 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 장에서는 새로운 방식의 릴레이 시스템 모델과 릴레이 다중화 기법 및 이를 지지하는 프레임 구조를 제안한다. 다중화 기법에서 이득을 최대화하기 위한 다수 릴레이의 적응적 협력 전략도 제시된다. 제안 기법은 기존 802.16 MMR에서 제시된 릴레이 시스템보다 전체 시스템 성능 측면에서 큰 개선을 보인다.
