[논문 리뷰] Hybrid Cellular/WLAN with Wireless Offloading: Enabling Next Generation Wireless Networks.

Petros S. Bithas, Athanasios S. Lioumpas외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 12.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 무선 백홀을 공유하는 WLAN 액세스 포인트가 매크로 셀에서 사용자를 오프로드할 수 있는 하이브리드 셀룰러/WLAN 네트워크를 제안한다. 단일 매크로 셀 내에서 주파수 재사용 1을 가능하게 하고 이ncmp 간 간섭을 최소화함으로써, 동일한 및 비동일한 fading 조건 하에서 더 높은 에르고딕 용량과 신호 대 간섭 및 노이즈 비율을 달성하며, 주요 성능 지표에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.

ABSTRACT

The exploitation of already deployed wireless local area networks (WLAN)s (e.g., WiFi access points (AP)s) has attracted considerable attention, as an efficient and practical method to improve the performance of beyond 4G wireless networks. In this paper, we propose a novel communication paradigm to satisfy the performance demands of future wireless networks: a hybrid Cellular/WLAN network architecture with wireless offloading. In contrast to the commonly adopted practice of WiFi offloading, where the WLAN APs have a wired backhaul (e.g., Digital Subscriber Line), we propose a wireless offloading approach, where the WLAN APs will share their wireless cellular broadband connection with other users. These users will select their serving node, i.e., the macro-cell eNodeB or a WLAN AP, based on a certain selection criterion. Thus a challenging research field is originated, where interfering effects and wireless resources limitations play a dominant role. Important performance metrics of the proposed hybrid scheme, including the bit error probability, the ergodic capacity and the average signal-to-interference-plus noise ratio, are theoretically studied and closed form expressions are derived for the single-user case with multiple interferers, for both identical and non-identical fading conditions. Also, based on the general multi-cellular hybrid WLAN-Cellular concept, we first propose a intercell interference minimization approach. Then we present a novel scheme for achieving frequency reuse equal to one within a single macro-cell, under specific performance criteria and constraints, that guarantee the overall cell or the individual user QoS requirements.

연구 동기 및 목표

• 초4세대 무선 네트워크에서 더 높은 데이터 전송 속도와 네트워크 용량에 대한 증가하는 수요를 해결하기 위해.
• 유선 백홀에 의존하는 전통적인 WiFi 오프로딩의 한계를 극복하기 위해, 특히 밀도 높은 배치에서 효율적으로 확장되지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• WLAN AP가 사용자와 함께 셀룰러 백홀을 공유하는 새로운 무선 오프로딩 메커니즘을 개발하여 확장 가능하고 비용 효율적인 용량 증강을 가능하게 하기 위해.
• 개별 사용자 및 전체 셀의 품질 서비스(QoS)를 유지하면서 다중 셀 하이브리드 네트워크에서 이ncmp 간 간섭을 최소화하기 위해.
• 실제 fading 조건 하에서 비트 오류 확률, 에르고딕 용량, 평균 SINR와 같은 주요 성능 지표에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.

제안 방법

• 유선 백홀이 아닌 무선 셀룰러 백홀을 사용하는 WLAN 액세스 포인트(AP)를 활용하는 하이브리드 셀룰러/WLAN 아키텍처를 제안하며, 동적 사용자 오프로딩을 가능하게 한다.
• 사용자가 매크로 셀 eNodeB 또는 WLAN AP 중에서 정의된 선택 기준에 따라 자신이 서비스를 받을 노드를 선택하는 사용자 연결 메커니즘을 도입한다.
• 다수의 간섭원이 존재하는 단일 사용자 케이스에서 비트 오류 확률, 에르고딕 용량, 평균 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 실제 무선 전파 환경을 모델링하기 위해 동일한 및 비동일한 fading 조건을 고려한다.
• 다중 셀 하이브리드 WLAN-셀룰러 프레임워크에 특화된 이ncmp 간 간섭 최소화 기법을 개발한다.
• 엄격한 QoS 제약 조건 하에서 단일 매크로 셀 내 주파수 재사용 1을 가능하게 하는 새로운 기법을 제안하며, 셀 수준 및 사용자 수준의 성능 요구사항을 모두 충족시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유선 인프라에 의존하지 않고 WLAN AP를 셀룰러 백홀의 일부로 활용하여 사용자 오프로딩을 지원할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 비트 오류 확률, 에르고딕 용량, SINR 측면에서 무선 오프로딩을 적용한 하이브리드 셀룰러/WLAN 네트워크의 이론적 성능 한계는 무엇인가?
• RQ3 다중 간섭원 환경에서 비동일한 fading 조건이 시스템 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 QoS를 유지하면서 단일 매크로 셀 내에서 주파수 재사용 1을 실현하기 위한 간섭 관리 기법은 무엇인가?
• RQ5 개별 사용자 및 전체 셀 모두의 QoS를 보장하기 위해 충족시켜야 할 제약 조건과 성능 기준은 무엇인가?

주요 결과

• 동일한 및 비동일한 Rayleigh fading 조건 하에서 다수의 간섭원이 존재하는 단일 사용자 케이스에 대해 비트 오류 확률, 에르고딕 용량, 평균 SINR에 대한 폐쇄형 표현식이 도출되었다.
• 제안된 무선 오프로딩 기법은 단일 매크로 셀 내에서 주파수 재사용 1을 가능하게 하여 스펙트럼 효율을 크게 향상시켰다.
• 이ncmp 간 간섭 최소화 기법은 제안된 제약 조건 하에서 개별 사용자 및 전체 셀의 QoS를 효과적으로 유지하였다.
• 성능 지표 분석 결과, 최적화된 사용자 연결 및 간섭 제어 덕분에 더 높은 에르고딕 용량과 낮은 오류율이 달성되었다.
• 이론적 분석을 통해 실질적인 fading 및 간섭 조건 하에서 하이브리드 아키텍처와 무선 오프로딩이 타당하고 확장 가능함을 확인하였다.
• WLAN AP에서 기존 셀룰러 백홀 자원을 활용함으로써 높은 사용자 데이터 전송 속도와 네트워크 용량 향상을 달성할 수 있었다.