[논문 리뷰] Maximizing Mobile Coverage via Optimal Deployment of Base Station and Relays

Xu Li, Dongning Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 28.

Mobile Ad Hoc Networks참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시간분할 및 주파수분할 스케줄링 하에서 무선 네트워크 커버리지 최대화를 위한 릴레이 및 이동형 기지국의 최적 배치 전략을 제안한다. 데이터 전송률 제약 조건 하에서 종단 간 도달 범위를 최대화하는 릴레이 위치에 대한 분석적 해를 유도하며, 일정 수 이상의 릴레이를 추가할 경우 품질보증(QoS) 제약으로 인해 커버리지 향상 폭이 감소함을 보여주며, 주파수분할 방식에서 7개의 릴레이를 사용할 경우 최대 1,289미터의 도달 범위를 달성할 수 있음을 확인한다.

ABSTRACT

Deploying relays and/or mobile base stations is a major means of extending the coverage of a wireless network. This paper presents models, analytical results, and algorithms to answer two related questions: The first is where to deploy relays in order to extend the reach from a base station to the maximum; the second is where to deploy a mobile base station and how many relays are needed to reach any point in a given area. Simple time-division and frequency-division scheduling schemes as well as an end-to-end data rate requirement are assumed. An important use case of the results is in the Public Safety Broadband Network, in which deploying relays and mobile base stations is often crucial to provide coverage to an incident scene.

연구 동기 및 목표

• 고정된 종단 간 전송률 요구 조건 하에서 기지국과 먼 목적지 사이에 다수의 릴레이를 최적 배치하여 통신 도달 범위를 최대화하는 것.
• 주어진 다각형 영역 내 최소 신호대임계비(SNR)를 최대화할 수 있도록 이동형 기지국의 최적 위치를 식별하는 것.
• 릴레이 보조 커버리지 확장에서 시간분할과 주파수분할 자원 공유 간의 상호 교환 관계를 평가하는 것.
• 이동형 기지국만으로 전체 영역을 커버할 수 없는 경우, 목표 영역의 어느 지점이라도 도달 가능하도록 하기 위해 필요한 최소 릴레이 수를 결정하는 것.
• 종단 간 QoS 제약 조건으로 인해 일정 임계점 이상 릴레이를 추가해도 성능 향상 폭이 감소하는 이유를 분석하는 것.

제안 방법

• 기지국과 목적지 사이의 선분 상에 K-1개의 릴레이를 설치한 양방향 다중호프 디코드 앤 포워드(DF) 디바이스투디바이스(D2D) 네트워크 모델을 수립한다.
• 전력 및 스케줄링 제약 조건 하에서 종단 간 전송률을 최대화하는 제약 최적화 프레임워크를 활용해 최적 릴레이 위치에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 상향링크/하향링크 전송을 모델링하고 최대 도달 범위에 미치는 영향을 분석하기 위해 시간분할(TDMA) 및 주파수분할(FDMA) 자원 공유 방식을 적용한다.
• 최적의 이동형 기지국 위치를 결정하기 위해 신호대임계비(SNR) 최대화 기준을 적용하며, 다각형 영역에서의 최소최대 문제를 해결한다.
• 공간 제약 조건(예: 다각형 외부 또는 경계선 상에 위치해야 함)이 있는지 여부에 따라 최적 기지국 위치를 계산하는 효율적인 알고리즘을 제안한다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하고, 릴레이 수, 전력 수준, 스케줄링 방식에 따른 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국과 먼 목적지 사이에 다수의 릴레이를 최적 배치하여 고정된 종단 간 전송률 요구 조건 하에서 통신 도달 범위를 최대화하기 위한 최적의 릴레이 위치는 무엇인가?
• RQ2 시간분할과 주파수분할 자원 공유 방식의 선택이 다중호프 릴레이 네트워크에서 최대 도달 가능 범위에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 주어진 다각형 영역 내 최소 SNR를 최대화할 수 있도록 이동형 기지국을 어디에 설치해야 하는가?
• RQ4 더 많은 릴레이를 추가해도 커버리지 향상이 이루어지지 않는 시점은 언제이며, 그 이유는 QoS 제약 조건으로 인한 것인가?
• RQ5 기지국만으로 전체 영역을 커버할 수 없는 경우, 이동형 기지국과 릴레이를 공동으로 어떻게 설치하면 목표 영역의 어느 지점이라도 도달 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 1개의 릴레이와 20 dBm 전송 전력 조건에서 시간분할 스케줄링 시 최대 도달 거리는 341미터, 주파수분할 스케줄링 시 493미터이다.
• 릴레이 수가 증가함에 따라 도달 거리가 증가하다가 일정 지점에 도달한다: 시간분할에서는 6개의 릴레이가 622미터를, 주파수분할에서는 7개의 릴레이가 1,289미터를 달성한다.
• 시간분할에서는 6개 이상, 주파수분할에서는 7개 이상의 릴레이를 추가할 경우 종단 간 전송률 제약 조건으로 인해 최대 도달 거리가 감소한다.
• 시간분할에서는 1개의 릴레이와 20 dBm 전력 조건에서 기지국에서 192미터 떨어진 곳이 최적 릴레이 위치이며, 주파수분할에서는 277미터이다.
• 이동형 기지국이 자유롭게 배치 가능한 경우 최적 위치는 (368, 304) 미터이며, 20 dBm 전력에서 최소 SNR 제약으로 인한 커버리지 반경은 시간분할 시 204미터, 주파수분할 시 245미터이다.
• 이동형 기지국이 다각형 외부 또는 경계선 상에 위치해야 하는 경우 최적 위치는 (325, 323) 미터이며, 유사한 커버리지 성능과 릴레이 확장 능력을 확보한다.