The Cloud-Radio Access Network (C-RAN) cellular architecture relies on the transfer
of complex baseband signals to and from a central unit (CU) over digital fronthaul
links to enable the virtualization of the baseband processing functionalities of distributed
radio units (RUs). Key challenges in the implementation of C-RAN are the capacity bottleneck
and latency that result from the transfer of information between RU and CU on
the connecting fronthaul link. In this dissertation, I rst aim at the design of a practical
symbol-by-symbol fronthaul quantization algorithm that implements the theoretical idea
of multivariate compression for the C-RAN downlink. As compared to current standards,
the proposed multivariate quantization (MQ) only requires changes in the CU processing
while no modi cation is needed at the RUs. The algorithm is extended to enable the joint
optimization of downlink precoding and quantization, reduced-complexity MQ via successive
block quantization, and variable-length compression. Numerical results, which include
performance evaluations over standard cellular models, demonstrate the advantages of MQ
and the merits of a joint optimization with precoding.
On the other hand, a key practical constraint on the design of Hybrid Automatic Repeat
Request (HARQ) schemes is the size of the on-chip bu er that is available at the
receiver to store previously received packets. This has recently highlighted the importance
of HARQ bu er management, that is, of the use of bu er-aware transmission schemes
and of advanced compression policies for the storage of received data. Therefore, in this
dissertation, I investigate HARQ bu er management by taking an information-theoretic
standpoint based on random coding. Speci cally, standard HARQ schemes, namely Type-
I (TI), Chase Combining (CC) and Incremental Redundancy (IR), are rst studied under
the assumption of a nite-capacity HARQ bu er by considering both coded modulation,
via Gaussian signaling, and Bit Interleaved Coded Modulation (BICM). The analysis sheds
light on the impact of di erent compression strategies on the throughput. Then, coding
strategies based on layered modulation and optimized coding blocklength are investigated,
highlighting the bene ts of HARQ bu er-aware transmission schemes. Lastly, the design of
compression strategy under multiple-antenna links is studied to show the further throughi
put gain.
In turn to tackle the above two systems, for an application, I study an edge-based solution
that enables a reduction in the latency associated with retransmissions in the downlink
of a Distributed-Radio Access Network (D-RAN) system: The RU stores previous transmitted
baseband signals, which are encoded by the CU, and retransmits them in case a
negative acknowledgement is received, without further processing and without assistance
from the CU over the fronthaul link. Based on a nite-blocklength analysis of the throughput
and latency, as compared to the conventional D-RAN implementation, the edge-based
approach is seen to signi cantly reduce the HARQ latency at the cost of a minor reduction
in throughput, especially for low-rate transmissions in the presence of slowly varying
channels.
오늘날, 기지국의 수가 증가하고 기지국의 커버리지가 다양해짐에 따라, 전송 지점간의 간섭을 제어 및 인접 셀간 연계를 위해 기지국간 협력 통신 네트워크가 각광 받고 있다. 특히, 프론트홀 링크를 바탕으로 한 클라우드-라디오 접속 네트워크(Cloud-radio access network)는 빠른 전송 속도, 낮은 지연시간, 기존 네트워크와의 하위 호환성 등의 장점을 통해 차세대 통신 네트워크의 주요 기술 중 하나로 인정받고 있다. 클라우드-라디오 접속 네트워크에서는 기존의 기지국의 역할을 기저대역 신호 처리를 위한 중앙처리 유닛과 무선 전송을 위한 원격 라디오 유닛으로 나누고, 유선 전송이 가능한 프론트홀 링크를 통해 기저대역 신호를 주고받음으로써, 저비용으로 에너지 효율적인 네트워크 운용이 가능하다. 하지만 프론트홀 링크의 전송 용량이 제한되어 있고 프론트홀 링크를 통한 정보 전송이 추가적인 시간 지연을 야기하기 때문에, 클라우드-라디오 접속 네트워크의 현실적 도입에 심각한 제약이 발생한다.
한편, 현대 무선 통신 시스템에서는 HARQ(Hybrid automatic repeat request)를 바탕으로 복호에 실패한 패킷을 재전송받고 이를 통해 전송속도를 높이거나 패킷의 복호 신뢰도를 높이고 있다. 수신자는 복호 실패한 패킷을 HARQ 버퍼에 저장해두고 재전송 받은 패킷과 최대비합성(Maximum ratio combining)함으로써 패킷을 복호한다.
하향링크 HARQ 프로토콜에서는 사용자 단말 칩 버퍼에 기존 수신 패킷을 저장하는데, 물리적 공간의 제약으로 인해 버퍼 용량이 크게 제한된다. 이에 따라 HARQ 버퍼를 사용자 단말 칩에서 분리하려는 노력도 있지만, 이는 넓은 대역폭을 갖는 외장 메모리 인터페이스 확보의 어려움으로 무산되었다. 특히 LTE나 LTE-A, 더 나아가 mmWave와 같은 차세대 통신 시스템에서는 사용자 단말 카테고리 레벨에 따라 대용량 비트의 전송을 요구하기 때문에 용량이 제한된 HARQ 버퍼 관리 기술이 필요시 되고있다.
이에 따라, 본 학위 논문에서는 첫째로 프론트홀 링크의 전송 용량이 제한된 클라우드-라디오 접속 네트워크에 알맞는 새로운 다변량 압축(Multivariate quantization) 기술을 제안하고 이에 알맞는 코드북 디자인 알고리즘을 제안하였다. 기존 프론트홀 표준에서 쓰이는 압축 기술은 압축 왜곡을 제거하기 위해 11 비트/심볼의 압축 비트를 필요로 했던 것에 비해 제안한 다변량 압축 기술은 단 6 비트/심볼의 압축 비트를 필요로 함을 모의실험을 통해 보였다. 나아가, 제안한 기술의 실질적 활용을 위해 가변길이 다변량 압축과 저복잡도 다변량 압축 기술을 새로 제안하였다.
다음으로 본 학위 논문에서는, HARQ 버퍼 용량이 제한된 환경에서 HARQ 타입-I(Type-I), 체이스 합성(Chase combining), 증분 리던던시(Incremental redundancy) 성능을 분석하고, HARQ 버퍼 크기에 따라 패킷 전송률을 최적화 시키는 전송률 정합 시스템의 성능 이득을 모의실험을 통해 보였다. 더불어 기존에는 부호화 비트를 로그-비슷함비(Log-likelihood ratio) 꼴로 저장했던 반면, 본 학위 논문에서는 기저대역 샘플로 저장하는 방법을 새로 제안하였고, 모의실험을 통해 변조율이 커짐에 따라 제안한 기법의 성능 이득이 커짐을 보였다. 또한 LTE에서 버퍼 인지 전송을 위해 패킷의 블록 길이를 최적화하고 이에 따른 전송 속도 이득을 모의실험을 통해 보였다.
이어서 프론트홀 전송 지연 및 기저대역 신호 처리 시간을 고려하여, 저지연 클라우드-라디오 접속 네트워크를 위한 라디오 유닛 기반 HARQ 프로토콜 성능을 분석하였다. 제안한 라디오 유닛 기반 HARQ 프로토콜은 라디오 유닛이 사용자로부터 받은 패킷 전송 성공/실패 신호를 복호할 수 있다는 가정 하에, 매 재전송을 중앙처리 유닛이 아닌 라디오 유닛에서 수행함으로써, 프론트홀 전송 지연 및 기저대역 신호 처리 시간을 생략하고 이를 통해 저지연 통신을 달성한다. 특히, 라디오 유닛 기반 재전송 기술은 천천히 변하는 시변 채널 환경 또는 낮은 전송률 환경에서 통신 지연을 확연히 줄일 수 있음을 모의실험을 통해 보였다.
