Interference Aware Downlink Channel Allocation Algorithm to Improve Throughput on OFDMA Cellular Multihop Networks with Random Topology
Sung-Gook Lim, Jaiyong Lee · 한국통신학회논문지 · 2015
Upcoming cellular networks such as LTE-advanced and IEEE 802.16m are enhanced by relay stations to support high data rate multimedia services and minimize the shadow zone with low cost. Enhancing the relay stations, however, divides the multihop cellular network into smaller microcells and the distance between microcells is closer, which intends large intra-cell and inter-cell interference. Especially the access link on downlink in the OFDMA cellular network is the throughput bottleneck due to the severe interference caused by base stations and relay stations transmitting large data to mobile stations simultaneously. In this paper, we present interference aware channel allocation algorithm to avoid severe interference on multihop cellular networks with random topology. Proposed algorithm increases SINR(signal to interference plus noise ratio) and decreases number of required control messages for channel allocation, so that increases overall throughput on the networks. 논문 15-40-01-06 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-01 Vol.40 No.01 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2015.40.1.43 43 ※ 본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술연구진흥센터의 정보통신·방송연구개발사업의 일환으로 수행하였음.[13-911-05-002, 다양 한 IoT 서비스를 위한 액세스 네트워크 제어 기술] First Author : Yonsei University, Department of Electrical and Electronic Engineering, [email protected], 정회원 ° Corresponding Author : Yonsei University, Department of Electrical and Electronic Engineering, [email protected], 종신회원 논문번호:KICS2014-11-455, Received November 19, 2014; Revised December 9, 2014; Accepted December 9, 2015 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-01 Vol.40 No.01 44 그림 1. 기존에 연구된 주파수 재사용 방안 [4] Fig. 1. Conventional requency reuse schemes [4] I. 서 론 LTE-advanced나 IEEE 802.16m과 같은 차세대 셀 룰러 네트워크 및 현재 망구축이 활발한 LTE는 펨토 셀이나 중계기를 사용하는 마이크로셀을 이용하여 적 은 비용으로 고품질 멀티미디어 서비스를 제공하려 하고 있다. 특히 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)와 결합된 펨토 및 마이크 로셀 네트워크는 유동적인 무선 자원 관리가 가능하 다는 점에서 크게 주목받고 있으며 많은 연구가 진행 되고 있다 . 다양한 방식의 무선 통신의 수요가 폭증함에 따라 현재 서비스를 제공하고 있는 이종망간의 라이센스 주파수 할당 문제가 중요한 문제로 부상하고 있으며, 따라서 좁은 주파수 대역을 최대한 효율적으로 사용 하여 스펙트럼 효율을 향상시키는 것이 중요한 연구 분야 중 하나로 연구되고 있다. 주파수 재사용은 한정된 자원을 갖는 셀룰러 네트 워크에서 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 필수적인 기술이다 . 서로 멀리 떨어져 있는 기지국 간에는 거 리로 인한 신호 세기 감쇠로 인해 동일한 주파수 대역 을 사용해도 간섭의 영향이 적다. 이러한 주파수 재사 용의 원리는 기존의 단일홉 셀룰러 네트워크를 위한 연구로 제안되었으나, 근래에는 다중홉 셀룰러 네트워 크에도 주파수 재사용 기술을 적용시키려는 연구들이 진행되고 있다 . 그림 1은 가운데 위치한 기지국을 중심으로 대칭적으로 분포하는 6개의 중계기를 고려 한 대표적인 주파수 재활용 방안들이다. 같은 패턴무 늬를 갖는 지역은 동일한 주파수를 사용하는 것을 의 미하며, 스펙트럼 효율 측면에서는 그림 1 (c)와 같이 모든 주파수 대역을 기지국과 중계기들이 동시에 사 용하는 것이 좋으나 간섭의 심화로 인해 마이크로셀 간의 경계에서 성능 열화가 발생한다. 각각의 중계기 들이 서로 다른 주파수를 사용하면 간섭의 영향은 없 으나, 스펙트럼 효율이 급격히 감소한다. 일반적으로 중계기는 사용자의 요청이나 자발적인 구매로 인해 임의의 위치에 설치될 수 있는 특성이 있다. 그러나 기존의 연구들은 소수의 중계기들이 균등하게 분포된 토폴로지만을 고려하여 주파수 재활용 패턴을 제안하 였기 때문에 현실적으로 적용하기에는 불가능하다. 따 라서 임의의 토폴로지를 갖는 중계기들의 주파수 재 활용 방안이 새롭게 연구될 필요가 있다. 임의의 토폴로지를 갖는 다중홉 셀룰러 네트워크에 서 각각의 기지국 및 중계기는 좁은 대역폭으로 이루 어진 다수의 OFDMA 채널을 모두 사용할 수 있다. 이때 기지국이나 중계기가 직접 사용자 단말에 신호 를 송출하는 OFDMA 하향 액세스 링크는 특히 간섭 에 의한 성능 열화가 심각하다. 그 이유는 많은 양의 데이터를 기지국이나 중계기가 ODFMA 하향링크 프 레임 구간동안 모든 채널을 사용하여 사용자 단말에 게 동시에 전송하기 때문이다. 같은 채널은 동일 주파 수를 사용하므로 전송 신호가 집중되는 하향 액세스 링크는 모든 기지국 및 중계기들은 상호간에 간섭을 받게 되고 이는 신호대간섭잡음비 감소 및 데이터 전 송률의 감소를 야기한다. 기존에 연구되었던 중계기 간의 간섭을 제어하기 위한 자원 할당방법은 기본적으로 모든 중계기들이 시스템의 전체 주파수 대역을 할당받은 것을 가정하 고 있다 . 따라서 각각의 중계기가 분산 처리 방 식으로 시스템 최적화 문제를 풀기 위해서는 모든 중 계기가 상호간 채널 상태에 대한 정보를 교환해야 하 며 이는 중계기의 수가 증가함에 따라 기하급수적으 로 늘어난다. 본 논문에서는 중계기간의 정보 교환량을 크게 감 소시키면서 트래픽 품질의 최소 요구사항을 만족시키 도록 간섭을 제어하면서도 상대적으로 높은 스펙트럼 효율로 데이터 전송률을 높이는 채널 할당 방법을 제 안한다. 또한 임의의 토폴로지에 적용이 가능하며 간 섭 신호의 집중을 분산시켜 신호대간섭잡음비를 높이 고자 한다. 임의의 토폴로지에서 셀 내 간섭만을 고려 한 기존 주파수 재활용 방안 과는 다르게 셀 간 간섭 도 동시에 고려하기 때문에 제안하는 방법은 간섭완 화에 더욱 효과적이다. 제안하는 채널 할당 방법은 두 단계로 이루어져 있다. 먼저 기지국 셀 내의 중계기 간의 간섭을 줄이기 위해 주파수 재활용이 가능한 중 계기들의 집합을 산출하고 각각의 집합에 채널을 할 당한다. 그 후 인접셀 간의 간섭을 완화하기 위해 기 지국은 심각한 간섭이 발생하는 채널을 간섭이 적은 다른 채널로 스위칭 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서는 제안하 는 알고리즘이 고려하고 있는 시스템 모델에 대해 기 술하고, III장에서는 간섭 완화를 위한 OFDMA 채널 논문 / 임의의 토폴로지를 갖는 OFDMA 다중홉 셀룰러 네트워크의 하향링크 간섭 완화를 위한 채널 할당 방법 45 그림 2. 임의의 토폴로지를 갖는 셀룰러 네트워크 Fig. 2. Example of random topology in cellular networks 할당 방법을 제시하고 기지국 셀 내 간섭 완화와 기지 국 인접셀 간 간섭 완화 과정을 각각 나누어서 설명한 다. IV장에서는 시뮬레이션을 통해 모든 채널을 동시 사용한 경우와 성능비교를 하며, 평균 프레임 점유율 과 데이터 전송률과의 비교를 통해 제안한 알고리즘 의 성능향상을 입증한다. 마지막으로 V장에서는 결론 과 향후 연구과제에 대해 서술한다.