Resource management based on clustering and user-cooperation for device-to-device communication in cellular networks

Abstract

최근들어, 모바일 어플리케이션과 태블릿 단말의 사용량이 급증하게 증가함에 따라 셀룰러 네트워크에서 모바일 트래픽이 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이러한 상황에서 단말 간 통신 (D2D communication)은 시스템의 전체 용량을 증가 시킬 수 있고 시스템 트래픽을 분산 시킬 수 있기 때문에 각광 받고 있다. 단말 간 통신을 멀티홉 셀룰러 네트워크에서 적용할 때, 단말 간 통신은 서로 인접한 사용자에게 데이터를 전송하여 전달 하는 방식의 통신을 할 수 있다. 셀룰러 네트워크에서 단말 간 통신을 통해, 다수의 단말은 기지국에게 직접 데이터를 전송하는 대신 선택 된 헤드 사용자를 통해 기지국에게 데이터를 전송할 수 있다. 이러한 통신 방법을 본 논문에서는 사용자-협력 (user-cooperation)이라 부른다. 이러한 사용자-협력은 전체 시스템의 용량을 증가시키는 특징을 갖고 있다. 비록 단말 간 통신이 전체 시스템 성능 향상에 기여하지만, 단말 간 통신은 셀룰러 네트워크에 같이 존재하는 셀룰러 사용자와 채널을 공유하기 때문에 서로 간섭을 끼친다. 그래서 셀룰러 네트워크에서 단말 간 통신을 사용하는데 있어서 효율적인 자원 관리 문제가 중요한 이슈이다. 하지만, 현재까지 연구된 대부분의 논문들은 오로지 단말 쌍 (D2D pair)만을 고려 하고 있고 기존 논문들은 높은 복잡도를 갖고 있는 문제가 있다. 복잡도를 낮추기 위해, 최근 셀룰러 네트워크에서 단말 간 통신을 위해 반복적 조합 기반 경매 게임 (iterative combinatorial auction game)을 적용하여 자원 할당을 수행한 연구 결과가 있다. 하지만 이 논문 역시 단말 쌍들만을 고려하였고 또한 셀룰러 단말의 최소 만족 신호대 간섭 및 잡음 비를 고려하지 않았다. 본 논문에서는, 셀룰러 네트워크에서 클러스터를 이루고 있는 단말들의 단말 간 통신을 위한 자원 할당 방안에 대해 연구하였다. 먼저, 사용자-협력을 위해 클러스터를 만드는 과정에 대해 설명한 후 본 논문의 시스템 모델을 설명하고 그 다음 반복적 조합 기반 경매 게임에 이용 될 가치 모델 (valuation model)을 정의하였다. 제안 알고리즘에는 복잡도를 줄이기 위해 반복적 조합 기반 경매 게임을 일부 적용하였다. 또한, 셀룰러 사용자와 단말 간 통신 사용자가 채널 자원을 공유하기 때문에 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비를 고려하였다. 이와 더불어, 전체 시스템 용량을 최대화 하는 문제를 정의하고 제안 알고리즘의 성능을 분석하였다. 제안 알고리즘의 수렴성과 복잡도를 분석하였고, 단말 간 통신을 하는 사용자의 수용 조건에 대한 분석도 역시 수행하였다. 제안 알고리즘을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 평가 척도로는 전체 시스템 용량과 수용도 (access success rate)로 선정하였다. 제안 알고리즘의 성능을 채널이 플레이어가 된 기존 반복적 조합 기반 경매 게임과과 최적의 스케줄링 그리고 무작위 스케줄링과 함께 성능을 비교하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비가 전체 시스템 용량에 영향을 미침을 확인하였다. 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비가 높을수록, 전체 시스템 용량은 줄어듬을 확인하였다. 또한, 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비가 수용도에 역시 영향을 미침을 확인하였다. 이와 더불어, 클러스터에 사용자 수가 증가함에 따라 시스템 용량이 증가함을 확인 하였다.