A Relay-based OFDMA Architecture Ensuring Real-time Multimedia Services Using Cognitive Radio Cooperative Transmission

Abstract

In the next generation mobile communications, it is expected that delay sensitive real-time multimedia services which require higher data rate will become more common. For higher performance of the system, improving channel quality at cell boundaries and efficient handling of handover process are highly demanded. Also, in order to facilitate wireless sensor networks in addition to fixed infrastructure, an efficient system architecture for mobile ad-hoc network should be investigated. Recently, cognitive radio and relay-based cooperative transmission technology has emerged for performance enhancement in 4G mobile communications. In this study, we aim at developing system architecture ensuring real-time mobile multimedia applications for OFDMA systems using relay technology with cognitive radio functions which enable sensing nearby radio environment. This study is organized as follows. First, to maximize QoS of users by efficiently avoiding the interference from the neighboring cells, a relay-based hierarchical link allocation algorithm between mobile stations (MSs) and the corresponding base station (BS) is proposed. To maximize system throughput, an auction process is proposed based on bidding prices regarding multiple possible communication links. The BS also considers the co-channel interference (CCI) information shared among adjacent cells and the amount of QoS enhancements collected from relays. The BS then switches the communication links of the auction winner MSs into the new set of communication links through the corresponding relays. To ensure service continuity of the users who have mobility, and to optimize the tradeoff between dropping probability of handoff calls and blocking probability of new calls, relay-based handoff prioritization control algorithm is proposed. In this algorithm, the relay station participates in the handoff procedure and helps mobile stations to recover regular service by providing highly efficient data transmission right after handoff. To enable real-time services in mobile ad-hoc networks, a packet based instantaneous cooperation scheme using cognitive relays by utilizing ARQ procedure is proposed. In the proposed scheme, the relays actively sense the power variation in the data transmitted from the source and decide whether to retransmit the previous packet or not. Random access based handshaking with source and the relay can be done in a very short time period compared with OFDM symbol period. To optimize the cooperation between the relay and the source, we have proposed a real-time adaptive adjustment algorithm for the sensing threshold.;미래 차세대 이동통신에서는 고용량의 실시간 서비스가 빈번히 이용될 것으로 예상 됨에 따라, 셀 도처에서 더욱 높은 전송 효율의 보장 및 실시간성 보장을 위한 패킷 단위의 QoS (Quality of services) 관리가 필수적이다. 본 논문에서는 차세대 이동통신 환경 구축을 위한 대안 중 하나로 각광 받고 있는 인지 무선 기능을 가진 릴레이 노드를 기반으로 한 협력 전송 알고리듬을 제안 함으로서 도처에서 원활한 통신이 가능한 시스템 구조를 설계하였다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 세 가지 알고리듬으로 구성 된다. 첫 째, auction기반 OFDMA downlink 시스템의 성능을 위한 계층적 링크 할당 방식에서는 셀 외곽에서 주변 셀로부터의 간섭에 강건하면서도 셀 내 사용자의 QoS 만족도를 최대화 하는 relay station기반의 OFDMA downlink system의 성능을 최대화 하고자 하였다. 모의 실험을 통하여 이웃 셀의 간섭이 심할수록, 셀 내 사용자가 요구하는 트래픽이 많을수록 제안된 기법이 강건한 성능을 보임을 확인하였다. 둘째로 relay station기반 핸드오버 우선화 기법에서는 사용자의 셀 간 핸드오버 시 실시간 서비스의 QoS를 보장하기 위하여 relay station을 이용한 새로운 핸드오버 기법을 제안하였다. 기존에 데이터의 전송을 잠시 중단 하는 핸드오버 처리 시간 동안, relay station이 대신 downlink 데이터를 저장한 후 핸드오버 직 후 사용자에게 높은 효율로 전송하여 줄 수 있다. 성능 분석을 통하여 기존 제안된 핸드오버 우선화 기법에 비해 패킷 dropping 확률과 blocking 확률 면에서 우수한 성능을 나타냄을 보였다. 마지막으로 패킷 기반 인지무선 기능의 relay station을 통한 instantaneous ARQ 협과 력전송 알고리듬에서는 OFDMA 시스템 에서 짧은 심볼 구간에 비해 상대적으로 협력 전송을 위한 준비 구간이 길어지는 단점을 보안하기 위해 소스의 신호 세기를 sensing한 relay가 자발적으로 재전송 여부를 결정한다. 제안된 알고리듬은 패킷당 평균 전송성공 시간 면에서 높은 성능을 보였으며 그룹 내 후보 릴레이 노드가 많을수록 더욱 성능 개선량이 커짐을 보였다.