Network Resource Optimization for Next-Generation Wireless Networks

Abstract

중앙 집중식 네트워크 혹은 클라우드 기반의 네트워크는 통신 및 네트워크 자원이 중앙 장치에 의해 관리되는 새로운 형태의 차세대 네트워크 구조로써, 클라우드 컴퓨팅 인프라 및 유선 통신 기술 발전에 힘입어 중앙 장치와 네트워크 말단의 노드들 간 대용량의 트래픽 관리가 용이해지면서 최근 각광 받고 있다. 중앙 집중식 네트워크에서는 통신 및 네트워크 자원들이 중앙 장치에 의해 관리되며 중앙 장치는 전체 네트워크 및 채널 상황에 따라 효과적으로 자원을 배분하기 때문에, 기존의 분산 동작 기반의 네트워크에 비해 보다 효과적인 데이터 서비스 제공이 가능하다. 본 논문에서는 중앙 집중식 네트워크에서의 데이터 플로우 관리, 링크 스케줄링, 그리고 다운링크 및 업링크에서의 협력 통신을 위한 자원 관리 기법을 제안한다.

본 논문의 첫 번째 연구에서는 밀리미터 웨이브 빔을 사용하여 높은 전송률을 갖고 있는 중앙 집중화된 스몰셀 네트워크에서의 링크 스케줄링 기법을 다룬다. 중앙 장치에서는 밀리미터 웨이브 빔이 좊은 빔 대역을 갖고 있다는 점을 이용하여 한 네트워크에서 같은 채널을 쓰는 여러개의 빔을 동시에 할당할 수 있다. 본 연구에서는 다운링크 빔 할당 시 링크들 간 간섭을 고려하여 데이터 전송률을 계산하고, 각 다운링크 빔의 전송 큐 길이를 고려하여 전체 네트워크 관점에서 일정 시간 동안 제공되는 무선 서비스 성능을 향상시키는 방법을 제안한다.

본 논문의 두 번째 연구에서는 매크로셀 내부에 다수의 스몰셀이 분포되어 높은 무선 서비스 요구량을 지원하는 이종 네트워크에서 다운링크 협력 통신 기법을 제안한다. 사용자가 밀집해 있는 핫스팟 지역에서는 높은 트래픽 요구량으로 인해 스몰셀 기지국들의 통신 자원 이용량이 높다. 제안하는 방법은 자원 이용량이 높은 스몰셀 기지국들 대신 인접 스몰셀 기지국들 중 적은 통신 자원들을 사용하고 있는 스몰셀 기지국들을 이용하여 협력 통신을 수행함으로써 급격한 트래픽 요구에 대한 무선 서비스 제공 신뢰성을 향상시킨다. 또한 밀집한 지역에서 충분히 높은 높은 신호 대 간섭 및 잡음비를 보장하기 위해 로버스트 최적화 기법을 이용하여 채널 측정의 불확실성을 보상한다.

본 논문의 세 번째 연구에서는 클라우드 기반의 와이파이 네트워크에서 즉각적 ACK를 활용한 업링크 협력 통신 기법을 제안한다. 클라우드 기반의 중앙 집중적 와이파이 네트워크에서는 중앙 장치에서 기저 대역 신호 처리와 매체 접근 제어를 비롯한 대부분의 기능들을 수행하여 사용자에게 와이파이 서비스를 제공할 수 있다. 따라서 각 액세스 포인트들이 독립적으로 기저 대역 신호 처리를 수행하였던 기존 와이파이 네트워크에서와는 달리, 클라우드 기반 와이파이 네트워크에서는 중앙 장치가 여러 원격 접속 장치 (액세스 포인트)들을 이용하여 기저 대역 신호 레벨에서의 다이버시티 컴바이닝을 수행함으로써 통신 성능을 향상 시킬 수 있다. 본 연구에서 제안한 업링크 통신 기법은 기저 대역 신호 레벨에서의 협력 통신을 통해 와이파이 서비스 성능을 향상시키고, 즉각적인 ACK를 활용한 매체 접근 제어 방법을 제안함으로써 중앙 장치와 원격 접속 장치 간 긴 전파 지연 시간으로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.

본 논문의 네 번째 연구에서는 차량 네트워크와 같은 모바일 네트워크에서 다중 노변 장치 간 협력을 통한 이동성 지원에 관한 기술을 제안한다. 높은 이동성을 갖고 있는 모바일 노드들에게 무선 서비스를 제공하기 위해서는 다수의 노변 장치 간 정보 교환이 중요하나, 각 노드가 독립적으로 동작하는 기존 분산 네트워크에서는 노드 수가 증가할수록 정보 교환을 위한 복잡도가 급격하게 증가하므로 협력 통신을 위한 자원 활용이 제한적이다. 본 연구에서는 모바일 엣지 컴퓨팅 서버를 활용하는 중앙 집중식/클라우드 기반의 네트워크를 사용하여 높은 이동성을 갖고 있는 모바일 노드들을 지원하기 위한 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 소프트웨어 정의 네트워킹 및 네트워크 기능 가상화 기술을 사용하여 원격 접속 장치 (노변 장치)간 협력 및 모바일 엣지 컴퓨팅 서버 간 협력을 통해 이동성을 지원할 수 있도록 컨트롤 플로우와 데이터 플로우를 관리함으로써 모바일 노드들에게 높은 안정성을 갖는 무선 연결 서비스를 지원한다.

본 논문에서는 최근 차세대 네트워크로 각광받고 있는 중앙 집중식 네트워크에서 무선 서비스 성능을 향상시키기 위한 자원 관리 기법을 연구하였다. 제안한 연구들은 차후 차세대 무선 네트워크의 서비스 성능을 향상시키는 데 있어서 큰 기여를 할 것으로 기대된다.|A centralized or cloud-based network where communication and network resources are centrally managed by the central unit has attracted a lot of attentions as a next-generation wireless network, after the performances of wired transmissions and cloud computing infrastructure has been improved enough to support large amount of traffic between nodes at the network edge and a central unit. The central resource management of a centralized network much improves data service performance through efficient and smart resource management compared with a distributed-operation-based conventional network. Channel state information or network traffic information are centrally monitored by a central unit, and communication and network resources are efficiently managed to improve data service performances through cooperative transmissions and receptions. In this dissertation, we propose resource management methods including data flow management, link scheduling, and cooperative downlink/uplink transmissions in a centralized network architecture.

In the first study of this dissertation, we study a link scheduling method in a centralized small-cell network using high-rate millimeter-wave (mmWave) beams. The mmWave beams has narrow beam width, and thus, the central unit can schedule multiple beams simultaneously at the same time slot without significant increase in interference with each other. The proposed link scheduling method selects links based on information of their queue lengths and data rates so that wireless service performance increases in a time average sense.

In the second study of this dissertation, we study cooperative downlink transmissions in a heterogeneous network where multiple small cells are deployed within a macrocell with a large coverage area to support high wireless service demands from users. In hotspot area with a large number of users, SBSs experience high resource utilization because of high traffic demands from users. Instead of using highly utilized SBSs, the proposed cooperative transmission method use lowly utilized SBSs located outside of the hotspot areas to increases service reliability for burst traffic demands. The proposed method also guarantees sufficiently high signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) for successful decoding by adopting robust optimization techniques to compensate uncertainty in channel estimation.

In the third study of this dissertation, we study cooperative uplink transmissions using immediate acknowledgement (ACK) in a cloud-based Wi-Fi network. In a cloud-based Wi-Fi network architecture, central unit (CU) coordinates multiple remote access units (RAUs) directly connected with users through wireless links to improve performance of wireless data services. The proposed method facilitates baseband-signal-level cooperation of multiple RAUs for throughput enhancement, and mitigates performance degradation caused by long propagation delay between a CU and RAUs by adopting immediate ACK-based medium access control (MAC) protocol.

In the forth study of this dissertation, we study mobility support methods using cooperation among multiple roadside units (RSUs) in a mobile networks such as vehicular networks. Although cooperation among multiple RSUs is important to support high mobility of mobile nodes, information sharing for supporting mobility is limited in a conventional non-centralized vehicular network architecture because of high complexity in sharing information among independently operating nodes. We propose using a centralized/cloud-based mobile network with edge computing infrastructure consisting of a cloud computing server, mobile edge computing (MEC) servers, and remote radio heads (RRHs). The cloud computing server manages MEC servers, MEC server is responsible for signal processing and service management, and RRHs provide wireless connectivity to mobile nodes. In this network, we propose software-defined networking (SDN) and network function virtualization (NFV)-based flow management methods for inter-RRH mobility support and inter-MEC-server mobility support. The proposed methods cooperatively utilize multiple RRHs to guarantee high reliable wireless connections with nodes with high mobility.

Through the studies in this dissertation, the proposed resource management methods improve wireless service performances of a centralized wireless network that is attracted much attention as a next-generation wireless network. We expect that the proposed resource management greatly contribute to further improve wireless service performances of the next-generation wireless networks.