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문제 정의
- 본 논문에서는 이동성을 갖춘 OFDM-TDD 시스템에서 릴레이의 전력을 제어 하는 방법에 대하여 연구하였다. 셀 수율 성능을 증가시키는데 주안점을 두었으며, 다중 셀 환경에서 릴레이들이, 자신이 다른 셀의 사용자에 미치는 영향을 고려하지 않고 개별적으로 자기 셀 수율을 최대화 하는 방식으로 동작하는 분산형 방식을 취하였다.
- 본 논문에서는 한 프레임 내에서 기지국과 릴레이가 사용자를 한 명씩 선택하고, 선택된 사용자에게 기지국 또는 릴레이가 사용할 수 있는 모든 부반송파를 할당해 주는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-TDD (Time Division Duplex) 기반의 시스템 모델에서 기지국 전력이 고정되어 있을 때, 분산형 방식의 릴레이 전력 제어 방식 (Distributed Mobile Relay Power Control: DMRPC) 에 대해서 논의한다. 릴레이는 decode-and-forward (DF) [2] 방식으로 동작한다.
- 그리고 릴레이는 같은 셀의 직접 링크 사용자에 간섭을 주게 되고, 릴레이 링크 사용자는 속해 있는 셀의 기지국으로부터 간섭을 받는다. 이 때, 모든 셀의 평균 전송률의 합을 최대화할 수 있도록 각 셀 릴레이의 전력을 결정하는 문제를 생각해 보자. 이 문제가 적용되는 시나리오는 모든 셀을 관장하는 Central controller가 존재하여, 각 셀에서 기지국 및 릴레이로부터 서비스 받는 사용자들이 기지국 및 해당 릴레이로부터 받는 신호의 SINR 정보가 기지국간에 자유로이 교환될 수 있다는 가정을 필요로 한다.
가설 설정
- 릴레이 부 프레임에서 DL access zone은 릴레이가 기지국으로부터 받은 데이터를 사용자에 재전송하는 구간이다. n번째 기지국 부 프레임의 DL relay zone에서 기지국으로부터 어떤 릴레이에 데이터를 전송하는 경우, 그 릴레이는 n번째 릴레이 부 프레임의 DL access zone에서 사용자에 데이터를 최종적으로 전송한다고 가정한다. 그림 1에서 보는 바와 같이 릴레이로부터 사용자까지 두 번째 홉 전송과 기지국에서 사용자까지 직접 링크 전송은 같은 DL access zone 구간에서 일어나므로, 두 링크 간에 셀 내부 간섭이 발생한다.
- 나머지 릴레이에 사용자를 연결하는 방법도 유사하다. 각 릴레이들에 사용자를 할당하는 순서는 셀 내에서 릴레이의 인덱스 순서를 그대로 따른다고 가정한다. 최종적으로 현재 프레임에서 링크별로 사용자가 모두 선택되면, K명 사용자 가운데 총 R+ 1명의 사용자가 선택된다.
- 기지국 부 프레임의 DL access zone에서는 모든 부반송파가 직접 링크에 연결된 하나의 사용자 데이터 전송에 사용된다고 가정한다. DL relay zone에서 부반송파를 할당하는 방법은 다음과 같다.
- 본 논문에서는 릴레이가 도입된 다중 셀 OFDM-TDD 시스템을 가정한다. 이 시스템은 802.
- 여기서 R은 1에서 3까지의 값을 갖는다. 본 논문에서는 채널 추정이 완벽하다고 가정하므로, 이동 노드들의 속도 증가에 의한 채널 추정 지연 현상은 발생하지 않는다. 릴레이가 움직이면, 사용자들이 선택적으로 릴레이를 통해 더 좋은 전송률을 제공받을 수 있는 가능성이 높아지므로, 고정 릴레이에 비해 이득이 있는 시스템이라고 볼 수 있다.
- 매 프레임마다, 기지국은 직접 링크와 각 릴레이 링크에 한 명씩의 사용자를 스케쥴링한다. 사용자 스케쥴링 단계에서는 모든 릴레이의 전력이 최대 전력 한계 pfull로 맞추어져 있다고 가정한다. 사용자들은 기지국과 릴레이들이 사용하는 고유의 프리앰블들의 패턴을 이용하여, 기지국과 릴레이들로부터 전송된 각각의 신호의 크기와 인접 셀로부터의 간섭량을 측정한 후 기지국 및 릴레이들에 보고한다.
- 모의실험을 시작할 때, 최초 분포하는 셀 당 사용자 수를 K로 표시하며, K는 5에서 30까지의 값을 갖는다. 사용자는 기본 클러스터 내를 자유롭게 이동할 수 있으며, 셀 간 핸드오버는 완벽하다고 가정한다. 따라서 매 프레임마다 셀 당 사용자 개수는 달라진다.
- 시스템의 대역폭은 10MHz 라고 가정한다. 19개의 셀로 구성된 하나의 클러스터를 기본으로 하며, 기본 클러스터 내에 있는 릴레이들의 위치와 전력을 복사한 6개의 클러스터가 기본 클러스터를 둘러싸고 있는 랩-어라운드 구조를 사용한다.
- 셀 하나당 릴레이의 개수를 R이라고 할 때, 전체 대역을 동일한 R개의 부채널로 나눈다. 이 때, 각 부채널은 인접한 부반송파의 집합으로 구성되어 있으며, 한 부채널을 구성하는 부반송파의 수는 모두 동일하다고 가정한다. 그리고 각 릴레이별로 하나씩의 부채널을 사용한다.
- 이 때, 모든 셀의 평균 전송률의 합을 최대화할 수 있도록 각 셀 릴레이의 전력을 결정하는 문제를 생각해 보자. 이 문제가 적용되는 시나리오는 모든 셀을 관장하는 Central controller가 존재하여, 각 셀에서 기지국 및 릴레이로부터 서비스 받는 사용자들이 기지국 및 해당 릴레이로부터 받는 신호의 SINR 정보가 기지국간에 자유로이 교환될 수 있다는 가정을 필요로 한다. 이 경우 시그널링에 따른 많은 오버헤드가 필요하게 되어 실제적인 구현이 어렵다.
- 직접 링크 전송시 발생하는 잡음과, 두 번째 홉 전송시 발생하는 잡음의 크기는 모두 σ2로서 같다고 가정한다.
- n번째 기지국 부 프레임의 DL relay zone에서 r번째 릴레이가 s(r)번째 부채널을 통해서 데이터를 전송받은 경우, 이 릴레이는 n번째 릴레이 부 프레임의 DL access zone에서도 같은 s(r)번째 부채널을 통해 사용자에 데이터를 전달한다. 편의를 위해, 릴레이가 자신과 같은 index의 부채널을 할당받는다고 가정한다(r = s(r)). 그러므로 릴레이 링크 사용자는 같은 번호를 부여받은 인접 셀의 릴레이로부터 간섭을 받는다.
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