Signaling Overhead Reduction for Throughput Improvement in Wireless Networks

Abstract

무선통신망(wireless networks)은 무선 채널의 상태 변화에 따른 성능 저하를 줄이기 위해 링크 적응(link adaptation) 기술을 기본적으로 사용한다. 링크 적응 기술을 위해서는 채널 상태 정보를 추정하고 수집해야하기 때문에 이에 따른 신호전달 부하(signaling overhead)가 발생하게 된다. 본 논문에서는 무선통신망에서의 신호전달 부하를 줄이기 위한 두 가지 기법을 제안하였다. 먼저 협력 통신 네트워크(cooperative communication networks)에서의 적응적인 전송 기법을 제안하였다. 제안한 기법을 사용하는 협력 통신 네트워크는 ACK(positive acknowledgement)/NACK(negative ACK)와 같은 제한된 피드백 정보로부터 추정된 채널 상태에 기반을 두어 전송 속도를 조절하면서 릴레이(relay)의 사용여부도 함께 결정한다. 제한된 피드백 정보는 실제 채널 상태에 대한 부분적인 정보만을 제공하기 때문에 제안하는 기법을 불확실성 마코브 의사 결정(partially observable Markov decision process)에 따라 설계하였다. 다음으로, 셀룰러 네트워크에서의 기기 간(D2D, device-to-device) 통신을 위한 자원 관리 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 두 단계로 구성되고 준 분산적(semi-distributed)으로 동작한다. 첫 번째 단계에서는 중앙 집중적(centralized)으로 기지국이 자원 블록을 B2D(BS-to-user device) 링크와 D2D 링크에게 할당한다. 두 번째 단계에서는 분산적(distributed)으로 기지국은 B2D 링크에 할당된 자원 블록들을 사용하여 전송 스케줄을 결정(scheduling)하고, 각 D2D 링크의 제 1 사용자 기기(primary user device)는 해당 D2D 링크에 할당된 자원 블록들에서의 링크 적응을 수행한다. 이러한 자원 관리 구조는 중앙 집중적 기법처럼 높은 네트워크 용량을 달성할 뿐 아니라 분산적 기법처럼 낮은 신호전달 및 계산(computational) 부하를 필요로 한다. 본 논문에서는 제안한 자원 관리 구조에서 주파수 자원 효율을 최대화하는 자원 블록 할당 문제들을 두 가지 서로 다른 자원 할당 정책에 대하여 만들고 이 문제들을 풀기 위해 탐욕(greedy) 알고리즘과 열 추가 기반(column generation-based) 알고리즘을 제안하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법들이 설계 목표를 달성하고 기존의 기법보다 높은 성능을 보이면서도 신호전달 부하를 줄일 수 있음을 보였다.

Wireless networks usually adopt some link adaptation techniques to mitigate the performance degradation due to the time-varying characteristics of wireless channels. Since the link adaptation techniques require to estimate and collect channel state information, signaling overhead is inevitable in wireless networks. In this thesis, we propose two schemes to reduce the signaling overhead in wireless networks. First, we design an adaptive transmission scheme for cooperative communication networks. The cooperative network with the proposed scheme chooses the transmission rate and decides to involve the relay in transmission, adapting to the channel state estimated from limited feedback information (e.g., ACK/NACK feedback). Considering that the limited feedback information provides only partial knowledge about the actual channel states, we design a decision-making algorithm on cooperative transmission by using a partially observable Markov decision process (POMDP) framework. Next, we also propose a two-stage semi-distributed resource management framework for the device-to-device (D2D) communication in cellular networks. At the first stage of the framework, the base station (BS) allocates resource blocks (RBs) to BS-to-user device (B2D) links and D2D links, in a centralized manner. At the second stage, the BS schedules the transmission using the RBs allocated to B2D links, while the primary user device of each D2D link carries out link adaptation on the RBs allocated to the D2D link, in a distributed fashion. The proposed framework has the advantages of both centralized and distributed design approaches, i.e., high network capacity and low signaling/computational overhead, respectively. We formulate the problems of RB allocation to maximize the radio resources efficiency, taking account of two different policies on the spatial reuse of RBs. To solve these problems, we suggest a greedy algorithm and a column generation-based algorithm. By simulation, it is shown that the proposed schemes achieve their design goal properly and outperform existing schemes while reducing the signaling overhead.