Performance and energy optimization issues in heterogeneous cooperative wireless networks

Abstract

최근들어 무선 기기들이 크게 증가함에 따라, 모바일 데이터 트래픽 또한 폭발적으로 증가하고 있고, 이러한 폭증은 무선 망의 전체 용량 및 사용자 별 용량의 증대를 요구하고 있다. 이를 위한 가장 현실적인 방안으로 공간 재사용을 높이기 위한 WiFi AP나 Femtocell과 같은 소형 셀 밀집화가 큰 관심을 받고 있고, 그 결과 무선 환경은 점차 밀집되고 WiFi와 셀룰라 등의 이종 무선망이 혼재된 환경으로 진화하고 있다. 반면, 폭증하는 모바일 데이터 트래픽과 달리 무선 망의 에너지 효율은 서서히 증가하고 있으며, 이대로라면 향후 늘어나는 모바일 트래픽을 처리하기 위한 에너지 소모 또한 폭증이 우려되고 있다. 이같은 상황에서, 무선 망의 성능 향상과 에너지 최적화는 앞으로도 지속적으로 탐구해야할 중요한 문제이다. 하지만, 밀집된 이종 무선망 환경에서 에너지 최적화와 함께 망 용량의 증대를 달성하기 위해선 몇 가지 큰 어려움을 극복해야 한다.

먼저, 셀간 간섭을 극복해야 한다. 밀집된 환경에서 WiFi AP나 셀들은 점차 가까워지고 그에 따라 셀간 간섭의 영향력이 커져 결국엔 큰 성능 저하 문제가 야기될 수 있다. 다음으로 에너지 절약을 위해 포기해야 하는 성능과 에너지 간의 상관관계를 잘 활용해야 한다. 에너지를 절약하기 위해서 용량, 딜레이, 공평성 등 일부 성능은 오히려 저하될 수 있는데, 적은 성능 저하로 큰 에너지 절약 효과를 가지도록 해야한다. 마지막으로 이종 무선 접속 기술간에 서로 조화롭게 동작할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 지금까지 무선 자원관리 기법은 이종 무선 기술 간에 서로 독립적으로 발전되어 왔으나 이러한 이종 망 간을 밀접히 제어할 수 있는 환경이되어 감에 따라 긴밀히 연동하는 이종 망이 가진 잠재력을 이끄러낼 기술이 필요하다. 본 학위논문은 이러한 도전들을 해결하는 무선 자원관리 기법을 새로운 아이디어와 수학적 이론을 기반하여 제안하고 그 성능을 이론적으로 분석 및 시뮬레이션을 통해 검증한다. 구체적인 내용은 다음과 같다.

첫 번째는 WiFi 네트워크에서 셀간 간섭 관리 연구로, AP 별로 간섭 관계에 기반하여 최소 보장 자원량을 설정하고 이를 분산 CSMA를 통해서 달성하는 기법을 제안한다. 제안 기법으로 AP간의 공평성을 높이고 AP간 비대칭적 간섭으로 인해 발생할 수 있는 AP의 자원 고갈 문제를 해결할 수 있다. 제안 기법은 CSMA라는 분산화되고 임의성에 의존하는 자원할당 기법에서도 AP간 공평성 증가와 AP 자원 고갈 문제를 해결하기 때문에 그 가치가 크다. 두 번째는 기지국이 서로 협력할 수 있는 셀룰라 네트워크에서 셀간 간섭 관리 기법을 제안한다. 구체적으로 사용자 중심의 가상셀이라는 개념을 제시하고 가상셀 환경에 적합한 빔포밍 기술을 개발한다. 사용자 중심의 가상셀 환경과 제안한 가상셀 빔포밍 기술을 통하여 망 용량을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 사용자들 간 공평성도 동시에 증가시킬 수 있음을 보인다. 이는 무선 망에서 전통적인 효율성과 공평성 사이의 상충 관계를 극복하는 결과라 할 수 있다. 세 번째는 앞 서와 같이 기지국이 서로 협력할 수 있는 셀룰라 네트워크에서 망 용량 뿐만 아니라 에너지 효율성도 고려하는 기지국 슬립 모드 제어와 클러스터링 기법을 제안한다. 제안 기법의 핵심 아이디어는 시공간 상에서 변하는 트래픽에 적응적으로 기지국 슬립 모드와 클러스터링을 제어하는 것으로, 이를 통하여 망에서 제공할 수 있는 최대 용량에는 손실을 주지 않으면서도 에너지를 절약할 수 있음을 확인한다. 또한 트래픽 적응을 위해 딜레이 증가가 요구되는데 시뮬레이션을 통해 약간의 딜레이만으로 큰 에너지를 절약할 수 있음을 보인다. 마지막으로 향후 WiFI와 셀룰라 같이 여러 전송 기술들이 하나의 전송 기기 혹은 기지국 등에서 서로 밀접하게 동작하는 새로운 환경에 적합한 자원 관리 기법을 연구한다. 연구의 목적은 단말의 QoS를 높이는 것으로, 다중 전송 기술의 통합과 동시적 전송을 통하여 단말 별 최대 전송률 증가를 달성할 뿐 아니라 패킷 단위의 망 선택을 통하여 단말의 에너지 효율성 증가 및 패킷 단위의 호수락 제어를 통하여 단말 별 공평성을 증가시킨다.