복잡계 네트워크기반 무선 애드혹 네트워크 설계 및 분석

정방철,강기홍,김정필,박연식,Jung, Bang Chul,Kang, Kee-Hong,Kim, Jeong-Pil,Park, Yeon-Sik 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.9

본 논문에서는 복잡계 네트워크 이론에 기반하여 무선 애드혹 네트워크를 분석하고 네트워크 토폴로지를 구성하는 방법에 관하여 제안한다. 본 논문에서는 기존의 복잡계 네트워크 연구가 무선 통신 채널의 특성을 정확히 반영하지 못한 부분을 개선하였으며, 랜덤 그래프 이론을 무선 통신 환경을 고려하여 확장하였다. 주요 결과로서 복잡계 네트워크 이론에 기반한 네트워크 토폴로지 구성이 전체 애드혹 네트워크 성능에 미치는 영향을 분석하고 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. In this paper, we propose a novel analysis and design methodology based on complex network theory for wireless large-scale ad hoc networks. We also enhance the conventional analysis methods which does not sufficiently consider the effect of the wireless communication channels and extend the existing random graph theory by reflecting the wireless communication environments. As a main result, the effect of the network topology such as average degree of each communication node on the network capacity through extensive computer simulations.

다중 안테나를 사용한 직교 부호 도약 다중화 시스템에서 로그 우도비 기반 성능 분석

정방철,성길영,신원용,Jung, Bang-Chul,Sung, Kil-Young,Shin, Won-Yong 한국정보통신학회 2011 한국정보통신학회논문지 Vol.15 No.12

본 논문에서는 CDMA (Code Division Multiple Access) 기반 통신 시스템에서의 가용한 직교 부호의 수보다 많은 수의 사용자 수용을 위해 제안된 하향링크 통계적 다중화 기법인 기존 OCHM (Orthogonal Code Hopping Multiplexing) 기술에 다중 안테나를 사용함으로써 성능이 향상될 수 있음을 보인다. 먼저 직교 부호 할당 방식에 따른 두 가지 다른 OCHM 시스템을 소개하고, 이를 LLR (Log-Likelihood Ratio) 값 계산법에 적용 시 나타내어지는 수식 표현을 유도한다. 다음으로, 유도된 LLR 값에 기반을 두어 터보 부호기를 사용할 때, 언급한 OCHM 시스템의 FER (Frame Error Rate) 성능을 검증한다. 또한 비교를 위해 기존 3GPP 표준에서 사용되는 다중 안테나 심벌 매핑 방식의 성능도 분석한다. 결과적으로, 제안된 직교 부호 할당 방식을 적용한 다중 안테나 기반 OCHM 시스템이 기존 시스템 대비 목표 FER을 만족하는데 있어서 에너지 감소 측면에서 상당한 이득이 있음을 확인한다. In this paper, we show that performance can be improved by using multiple antennas in the conventional orthogonal code hopping multiplexing (OCHM) scheme, which was proposed for accommodating a larger number of users with low channel activities than the number of orthogonal codewords used in code division multiple access (CDMA)-based communication systems through downlink statistical multiplexing. First, we introduce two different types of OCHM systems together with orthogonal codeword allocation strategies, and then derive their mathematical expression for log-likelihood ratio (LLR) values according to the two different schemes. Next, when a turbo encoder based on the LLR computation is used, we evaluate performance on the frame error rate (FER) for the aformentioned OCHM system. For comparison, we also show performance for the existing symbol mapping method using multiple antennas, which was used in 3GPP standards. As a result, it is shown that our OCHM system with multiple antennas based on the proposed orthogonal codeword allocation strategy leads to performance gain over the conventional system---energy required to satisfy a target FER is significantly reduced.

다중 안테나를 이용한 직교 부호 도약 다중화 시스템의 성능향상

정방철,이우재,박연식,전성근,Jung, Bang-Chul,Lee, Woo-Jae,Park, Yeoun-Sik,Jeon, Seong-Keun 한국정보통신학회 2011 한국정보통신학회논문지 Vol.15 No.10

직교부호 도약 다중화기술(Orthogonal Code Hopping Multiplexing)은 CDMA기반 이동통신시스템에서 가용한 직교부호의 수보다 많은 수의 사용자를 수용하기 위해 제안된 통계적다중화기반 하향링크 기술이다. 본 논문에서는 최근 다양한 이동통신시스템에 제안되고 있는 다중안테나 기술인 MIMO기술을 사용하여 기존의 직교부호 도약 다중화기술의 성능을 향상시키는 기술을 제안한다. 각 변조된 심벌은 N번 반복되고 반복된 기 심볼은 N개의 송신 안테나로 동시에 전송된다. 반복을 통하여 기존 직교부호 도약 다중화 기술에서 제기되었던 천공(Perforation)의 영향은 반복된 심볼로 분산된다. 반복된 모든 심볼이 모두 천공될 확률은 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 시뮬레이션을 통하여 다중안테나를 이용하여 기존의 직교부호 도약 다중화기술이 가지고 있던 단점이 보상될 수 있음을 보인다. An orthogonal code hopping multiplexing (OCHM) technique has been proposed for accommodating a large number of users with low channel activities than the number of orthogonal codewords through statistical multiplexing in downlink cellular systems. In this paper, a multiple input multiple output (MIMO) antenna based OCHM system is proposed to improve the performance. Each modulated symbol is repeated N times and the N repeated symbols are transmitted simultaneously using N transmit antennas. Through repetitions, the effect of perforations that the OCHM system experiences is decentralized among the repeated symbols and the full perforation probability is significantly reduced. Each receiver detect the transmitted signal using its pre-assigned code hopping pattern. Simulation results show that the proposed scheme saves the required energy for a given frame error rate (FER).

차세대 이동통신 망을 위한 다중안테나 기반의 주파수 효율적 데이터 중계 방식

정방철,강민석,이상욱,전성근,Jung, Bang-Chul,Kang, Min-Seok,Lee, Sang-Wook,Jeon, Seong-Geun 한국정보통신학회 2011 한국정보통신학회논문지 Vol.15 No.8

본 논문에서는 기지국과 중계기와 사용자 단말로 구성되는 셀룰라 망에서 기지국의 다중 안테나를 이용하여 중계기에서 생기는 주파수 비효율성을 극복하는 데이터 중계 방식을 제안한다. 셀룰라 망에서 기지국은 단말이나 중계기에 비하여 많은 수의 안테나를 가지고 있다. 따라서 중계기가 기지국으로부터 수신한 데이터를 단말에게 전송할 때, 동일한 주파수 자원을 이용하여 기지국이 또 다른 단말에게 데이터를 보내게 함으로써 주파수 효율을 증대시킬 수 있는 것이다. 그러나 이러한 과정에서 중계기로부터 데이터를 전송받는 단말이 또 다른 단말에게 데이터를 전송하는 기지국의 신호에 의하여 간섭을 받게 되는데, 본 논문에서는 이러한 간섭을 줄이는 방식으로서 ing 방식과 pre-whitening 방식의 pre-coding 방식을 제안한다. We propose a spectrally efficient relaying scheme with multiple antennas for cellular networks which consist of base station (BS), relay station (RSs), and mobile stations (MSs). In general, a BS has more antennas than an RS or an MS. By using multiple antennas, a BS can support another MS with the same frequency resource, where an RS transmits data to a specific MS. In this case, the MS receiving data form an RS also receives the interference form the BS because the BS also uses the same frequency resource at the same time. In this paper, we propose ing and pre-whitening techniques as a pre-coding scheme at the BS for reducing the interference at the MS receiving data from the RS.

멀티 포인트 시스템에서 시스템 레벨 시뮬레이션에 기반을 둔 스펙트럼 효율성 검증

정방철,신원용,반태원,Jung, Bang-Chul,Shin, Won-Yong,Ban, Tae-Won 한국정보통신학회 2011 한국정보통신학회논문지 Vol.15 No.10

본 논문에서는 셀 경계지역 사용자의 스펙트럼 효율성 향상을 위하여 3GPP LTE-A (Long-Term Evolution-Advanced) 시스템에서 논의되는 셀 간 협력 전송기법 중 하나인 CoMP (Coordinated Multi-Point) 시스템을 소개하고, 성능 검증을 위해 시스템 레벨 시뮬레이터를 개발한다. 셀 간 협력 전송 시 시스템의 성능 개선 정도를 확인하기 위하여 기존 이동통신 시스템 중 가장 높은 성능을 보이는 3GPP LTE-A 시스템을 참조 시스템으로 선정하여 성능 비교를 수행한다. CoMP 시스템 레벨 시뮬레이션은 널리 사용되고 있는 OPNET을 기반으로 하는데, 셀 간 협력 전송 시스템 설계를 바탕으로 CU (Central Unit), CeNB (CoMP eNodeB), UE (User Equipment), MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 채널 모델 등의 모듈을 구현한다. WINNER 무선 채널 모델 및 ITU (International Telecommunication Union) 네트워크 모델 환경을 통하여 하위 5%의 스펙트럼 효율성을 가지는 셀 가장자리 사용자의 성능을 검증할 때, 3GPP LTE-A 참조 시스템 대비 제안한 CoMP 시스템의 용량이 약 2.5배 정도 증가하였음을 보인다. In this paper, so as to improve spectral efficiency for cell-boundary users, we introduce a coordinated multi-point (CoMP) system, which is one of inter-cell cooperative transmission strategies studied in 3GPP long-term evolution-advanced (LTE-A) systems, and develop a system-level simulator to evaluate performance. To identify performance improvement of the system with inter-cell cooperative transmission, we select a 3GPP LTE system as a reference, which shows the highest performance among the existing mobile communication systems, and conduct a performance comparison. System-level simulation is performed based on widely-used OPNET tool. We implement modules including central unit (CU), CoMP eNodeB (CeNB), user equipment (UE), and multiple-input multiple-output (MIMO) channel model, while designing the inter-cell cooperative transmission system. Under WINNER wireless channel model and international telecommunication union (ITU) network model environments, we then evaluate the performance of edge users who belong to the lower 5% in terms of spectral efficiency. It is finally shown that throughput of the proposed CoMP system gets improved up to 2.5 times compared to that of the 3GPP LTE reference system.

하향링크 사용자 용량 개선을 위한 통계적 다중화기반의 RFH-OFDMA

정방철,이형진,성단근,Jung, Bang-Chul,Lee, Hyung-Jin,Sung, Dan-Ken 한국통신학회 2005 韓國通信學會論文誌 Vol.30 No.7a

본 논문에서는 하향링크에서 사용자 용량 증가를 위하여 통계적 다중화에 기반한 RFH-OFDMA(Random Frequency Hopping-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식을 제안한다. 사용자 용량은 한 셀에서 주어진 기본 데이터 전송률로 데이터 전송이 가능한 최대 사용자의 수를 의미한다. 본 논문에서는 제안된 통계적 다중화 기반의 RFH-OFDMA 방식의 하향링크 사용자 용량과 기존 FH-OFDMA 방식에서의 하향링크 사용자 용량을 비교한다. 사용자 용량은 부반송파 개수와 인접 셀 간섭에 의하여 제한되며 수신 SINR이 가장 열악한 환경에서의 시스템 용량을 상호 비교하기 위하여 사용자는 모두 셀 경계에 있다고 가정하고 인접 셀 간섭은 최대 값을 갖는다고 가정한다. 시뮬레이션 결과를 통하여, 사용자의 채널 활성도가 0.1, 수신단에서 요구되는 Eb/IO가 6dB, 3-sector 안테나가 사용된 경우에 제안된 RFH-OFDMA 방식이 262명을 수용한 반면에 기존의 FH-OfDMA방식의 경우 51명의 사용자를 수용할 수 있음을 보여준다. We propose a random frequency hopping orthogonal frequency division multiple access (RFH-OFDMA) system based on statistical multiplexing for improving downlink user capacity. User capacity is defined as the maximum number of users served with a given basic data-rate in a cell. We compare the downlink user capacity of the proposed RFH-OFDMA system with that of the conventional frequency hopping OFDMA (FH-OFDMA) systems in the worst case where all users are located at the cell boundary. User capacity is limited by either the number of subcarriers or other-cell interference (OCI). Simulation results show that the proposed RFH-OFDMA system can accommodate 262 users in a 3-sectored cell, while the conventional FH-OFDMA systems can accommodate 51 users, when the user channel activity and the required Eb/I0 are 0.1 and 6 dB, respectively, and all users are assumed to be located at the cell boundary.

방향성 전송을 사용하는 이동통신 시스템을 고려한 파워 할당 방안

이웅섭,정방철,반태원,Lee, Woongsup,Jung, Bang Chul,Ban, Tae-Won 한국정보통신학회 2014 한국정보통신학회논문지 Vol.18 No.11

기지국의 전송 파워를 서비스 받는 단말로 집중시키는 방향성 전송은 이동통신 시스템의 수율을 극대화함으로써 현재 이동통신 시스템이 직면한 가장 큰 문제인 데이터 트래픽 폭증 문제를 해결하는데 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 방향성 전송을 사용하는 이동통신 시스템을 위한 파워 할당 방안을 고려하였다. 특히 기지국의 각 섹터에서 다수의 방향성 전송을 이용하여 여러 단말을 동시에 서비스하는 환경에서 각 방향성 전송의 전송 파워를 효율적으로 조절해 주는 방안에 대해서 고려하였다. 이를 위해 동일 파워 할당방안, Water-filling 방안 및 역 채널 할당 방안을 고려하였고, 방향성 전송간의 간섭을 고려하여 시스템의 수율을 최대화하기 위한 방안인 방향성 전송 파워 할당 방안을 제안하였다. 또한 기존에 개발한 시스템 레벨 시뮬레이터를 활용하여 다양한 파워 할당 방안들의 성능(대역 효율 및 Jain's Fairness Index)을 분석하였고 이를 통해 제안한 파워 할당 방식이 기존의 파워 조절 방안들에 비해서 시스템의 대역 효율을 최대 28% 향상시킬 수 있음을 보였다. Directional transmission is one of key technology to solve the utmost problem that current mobile communication system faces, which is explosively increasing data traffic, since directional transmission can maximize the throughput of mobile communication systems. In this work, we consider power allocation scheme for mobile communication system which utilizing directional transmission. Especially, we consider the case in which multiple users in the same sector of base station, are served at the same time by utilizing directional transmission. For this scenarios, we consider equal power allocation scheme, Water-filling based scheme and inverse SNR scheme. Moreover, we propose beam power allocation scheme whose objective is to maximize overall system throughput by taking into account interference between different directional transmissions. Moreover, we have examined the spectral efficiency and Jain's fairness index of various power allocation schemes for directional transmission by using system level simulator that has been developed in our previous work. Through simulations, it has been verified that the proposed power allocation scheme can improve the spectral efficiency of the system by 28%.

4.4GHz 대역을 활용한 항공기내 무선통신 링크 성능 분석

조문제,정방철,박판근,장우혁,반태원,Cho, Moon-Je,Jung, Bang Chul,Park, Pangun,Chang, Woohyuk,Ban, Tae-Won 한국정보통신학회 2016 한국정보통신학회논문지 Vol.20 No.7

본 논문에서는 4.4GHz 대역에서 항공기내 무선 통신을 위한 채널 링크 버짓을 분석하였다. 항공기내의 채널을 일반적인 경로 손실, 장애물로 인한 음영효과, 그리고 다중 경로 신호로 인한 페이딩의 조합으로 모델링하였다. 그리고, 항공기내에 존재할 수 있는 송수신기의 다양한 위치에 따라서 채널을 A~F의 6개 그룹으로 분류하고, 6개의 채널 그룹별로 최대 전송 가능 거리와 전송 오류 확률 측면에서 링크 버짓을 분석하였다. 다양한 분석과 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면, A, B, F 채널 그룹이 C, D, E 그룹 대비 우수한 전파 특성을 가지며, 그룹 E의 전파 특성이 가장 열악한 것으로 확인되었다. 이러한 결과들은 항공기내 또는 이와 유사한 환경에서의 채널 분석을 위한 기초자료로 활용 가능하다. This paper investigated the channel link budget for Wireless Avionics Intra-Communication (WAIC) in 4.4GHz. The band 4.2~4.2GHz was allocated for the communication service among aeronautical applications in world radiocommunication conference (WRC). Wireless channels in aircraft was modelled by the combination of path loss, shadowing effect caused by obstacles, and fading caused by multipath signals. In addition, wireless channels in aircraft are categorized into 6 groups according to various locations of transmitter and receiver. We analyzed the channel link budget for the 6 channel groups in terms of maximum transmission distance and outage probability. Our analysis and intensive computer simulation results show that the propagation characteristics of group A, B, and F is superior to group C, D, E, and the propagation of group E is the most vulnerable. Also, these results can be utilized as basic reference for the channel analysis of intra-aircraft or similar environment.

다중 셀 랜덤 액세스 네트워크에서 간섭 최소화 기법과 신호 최대화 기법의 성능 비교

조한성,정방철,Jo, Han-Seong,Jin, Hu,Jung, Bang Chul 한국정보통신학회 2015 한국정보통신학회논문지 Vol.19 No.9

다중 셀 랜덤 액세스 네트워크에서 제안된 기회적 간섭정렬 기법은 인접한 랜덤 액세스 네트워크로 미치는 간섭의 영향을 최소화하는 기술로서 간섭이 극심한 환경에서 기존의 기술들 보다 우수한 성능을 보인다. 랜덤액세스 네트워크용 기회적 간섭정렬 기술은 물리계층과 매체접근제어계층을 동시에 고려한다. 본 논문에서는 기존의 기회적 간섭정렬 기술과 반대로 각 사용자들이 인접 셀 간섭과 상관없이 자신의 전송 신호를 최대화하는 기법을 고려한다. 또한 기존의 기회적 간섭정렬 기술에서 사용한 간섭 최소화 기법과 전송 신호 최대화 기법을 서로 다른 환경에 따라 비교 분석하고 두 기술 사이에 트레이드오프가 일어남을 관찰한다. Opportunistic interference alignment (OIA) has been proposed for multi-cell random access networks (RAN), which minimizes the generating interference to neighboring RANs and yields better performance compared with the conventional techniques. The OIA for RANs considers both physical (PHY) and medium access control (MAC) layers. In this paper, we introduce a protocol of which each user maximizes the transmit signal regardless of the generating interference to neighboring RANs, contrary to the OIA technique. In addition, we compare the performance of the signal-maximization technique with the OIA technique.

이종 이동통신 네트워크에서 셀 확장 편향치에 따른 하향 링크 성능 분석

반태원,정방철,조정연,성길영,Ban, Tae-Won,Jung, Bang Chul,Jo, Jung-Yeon,Sung, Kil-Young 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.12

최근에 폭발적으로 증가하고 있는 모바일 데이터 트래픽을 효과적으로 수용하기 위하여 다중 안테나와 소형 셀과 같은 신기술들이 차세대 이동통신 시스템의 핵심 기술로 제안되었다. 특히, 기존의 매크로 셀과 소형 셀을 동시에 활용하여 공간 재사용율을 높일 수 있는 이종 이동통신 네트워크에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나, 이종 네트워크에서는 단말들이 소형 기지국 대비 상대적으로 송신 출력이 높은 매크로 기지국을 통해서 서비스 받을 가능성이 높기 때문에 소형 기지국의 활용도가 상대적으로 낮아지는 문제점이 있으며, 이러한 문제점은 상향 링크에서 두드러지게 나타난다. 3GPP에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 셀 확장 편향치 개념을 제안하고 이에 대한 표준화를 진행하고 있다. 본 논문에서는 셀 확장 편향치를 적용한 네트워크 시뮬레이터를 이용하여 이종 이동 통신 네트워크의 하향 링크 성능을 평균 셀 전송 효율 측면에서 분석한다. New technologies such as multi-antenna and small cell were proposed as key technology for the next generation mobile system to cope with the explosively increasing mobile data traffic. In particular, heterogeneous mobile communication network which can improve spatial reuse factor by exploiting macro and small cells simultaneously is attracting attention. However, the heterogeneous network has a problem that the utilization of small cells becomes low because the transmit power of macro base stations is much higher than that of small base stations and then the probability that mobile stations are attached to the macro base stations becomes high. This problem is dominant in uplink. The concept of cell range expansion bias to mitigate the problem was proposed by 3GPP and the corresponding standardization is in progress. In this paper, we analyze the downlink performance of the heterogeneous mobile communication network based on a system level simulator with the cell range expansion bias in terms of average cell spectral efficiency.