다중 홉 네트워크와 무선 인지 네트워크의 성능 분석 및 최적화 기법

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2013. 8. 이재홍.중계 기술은 차세대 무선통신 시스템에서 요구되는 데이터 전송률 및 신뢰도를 비롯한 서비스품질 향상 달성을 위한 가장 중요한 기술 중의 하나이다. 중계 기술의 장점으로 인해 많은 관심을 받고 폭넓게 연구되어 왔으며, IEEE 802.16j 등의 통신 표준에 반영되기도 하였다. 그러나 더 효율적인 다중 홉 포로토콜 설계 및 무선 인지 네트워크에의 응용 등의 분야에 연구가 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 중계 기술 연구에 있어 다음과 같은 결과를 보인다. 첫째, 다중 홉 네트워크를 위한 새로운 복호후재전송 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜은 불능 확률 최소화를 위해 몇몇 단말기들이 동일은 채널을 사용한다. 이를 위해, 제안한 프로토콜의 불능 확률을 닫힌 형태로 유도하며, 불능 확률 최소화를 위한 최적화 기법을 제안한다. 최적화 기법은 전송 전력 할당, 홉 수 및 시간 분할 수 선택 방법을 포함한다. 또한, 수학적 기법을 이용하여 홉 수 및 시간 분할 수 선택 방법의 복잡도를 줄이는 방법을 제안한다. 모의실험을 통해 얻어진 불능 확률이 유도한 값과 일치함을 확인한다. 또한 제안된 다중 홉 통신 프로토콜이 기존 다중 홉 통신 프로토콜 및 직접 전송 프로토콜보다 낮은 불능 확률을 달정함을 보이며, 특히 신호대잡음비가 낮거나 감쇄 경로 지수가 클 수록 효과적임을 보인다. 또한 홉 수 및 시간 불할 수 선택과정의 복잡도를 줄여도 거의 동일한 불능 확률을 달성함을 확인한다. 둘째, 스펙트럼 공유 무선 인지 네트워크의 성능을 조사한다. 일차 네트워크 및 이차 네크워크의 관계에 따라 두 네트워크가 동기화 된 시나리오, 두 네트워크의 프레임 길이는 동일하지만 동기화 되지 않은 시나리오 및 프레임 길이가 다른 시나리오의 세 가지를 고려한다. 각 시나리오에 대하여 이차 네트워크의 전송 전력 할당 및 중계기 선택 기법을 제안하고, 불능 확률을 유도한다. 모의실험을 통해 얻어진 불능 확률이 유도한 값과 일치함을 확인한다. 일차 네트워크로의 간섭으로 인해 전송 전력이 제약을 받기 때문에 불능 확률 마루가 생김을 확인할 수 있으며, 각 시나리오의 성능이 불능 확률 곡선의 기울기는 비슷하지만 불능 확률 마루가 다름을 확인할 수 있다. 또한 동기화, 중계기 수, 일차네트워크의 송신 신호대잡음비, 간섭 문턱값, 간섭 허용 확률 문턱값 및 일차네트워크와 이차네트워크 간 거리가 불능 확률에 미치는 영향을 확인한다.Relay communication is one of the most promising technologies for the next-generation wireless systems which support enhanced quality of service such as data rate and reliability. Thanks to its advantage, the relay communication has been drawing a lot of interest and adopted in wireless standards such as IEEE 802.16j. However, there are still many challenges to be addressed such as multi-hop protocols and applications to cognitive radio networks. The dissertation contains two main results. First, we propose a novel decode-and-forward protocol for a multi-hop network. In the proposed protocol, multiple terminals transmit simultaneously to minimize the outage probability. We analyze the outage probability of the proposed protocol in a closed-form. Also, we propose an optimization algorithm that minimizes the outage probability. The optimization algorithm includes the power allocation and the selection of the number of hops and phases. Also, we propose the reduced complexity selection of the selection of the number of hops and phases by using some approximations and mathematical manipulations. We show that the computational complexity is reduced signicantly. Numerical results verify the validity of our theoretical analysis by comparison with Monte Carlo simulations results. It is shown that the proposed multi-hop protocol provides lower outage probability than the conventional multi-hop protocol as well as single-hop protocol, especially in the case of low signal-to-noise ratio (SNR) and that of high path-loss exponent. It is also shown that the reduced complexity selection provides similar outage probability to the exhaustive search in most regions. In addition, we extend the concept of the proposed DF protocol to the AF protocol. Second, we investigate a spectrum-sharing cognitive radio network. We consider three network scenarios according to the relation of the primary network and secondary network: one that the primary network and secondary network are synchronized, one that the primary network and secondary network are not synchronized with same frame length, and one that the frame lengths of the primary network and secondary network are different. For each scenario, we propose an power allocation and relay selection. Also, we analyze the outage probability. Numerical results verify the validity of our theoretical analysis by comparison with Monte Carlo simulation results. It is shown that the interference to the primary network causes a oor of outage probability curve. It is also shown that the slopes of outage probability curves are similar for all network scenarios. However, the oor levels vary and that of the first network scenario is the lowest. We investigate the effect of various system parameters on the outage probability. As the system parameters, we consider the number of relays, the transmit SNR of the primary users, the interference threshold, the tolerable probability threshold, and the distance between the primary network and secondary network.Abstract 1 Introduction 1.1 Background and Related Works 1.1.1 Relay Communication 1.1.2 Protocol for the Multi-hop Network 1.1.3 Cognitive Radio Network 1.2 Outline of Dissertation 1.3 Notations 2 A Novel DF Protocol for Multi-hop Network 2.1 System Model 2.2 Outage Probability 2.3 Optimization 2.3.1 Optimization Problem 2.3.2 Power Allocation 2.3.3 Selection of M and K 2.3.4 Reduced Complexity Selection of M and K 2.3.5 Complexity Comparison 2.3.6 Minimization of the Total Power 2.4 Numerical Results 2.5 Extension to an AF protocol 2.6 Summary 3 Spectrum Sharing Cognitive Radio Network 3.1 System Model and Network Scenarios 3.2 Power Allocation and Relay Selection 3.2.1 Scenario 1 3.2.2 Scenarios 2 and 3 3.3 Outage Probability 3.3.1 Scenario 1 3.3.2 Scenario 2 3.3.3 Scenario 3 3.4 Numerical Results 3.5 Single-hop Spectrum Sharing Cognitive Radio Network 3.6 Summary 4 Conclusions A Proof of Theorem 2 B Proof of Theorem 3 C Proof of Theorem 4 D Proof of Theorem 5 E Proof of Theorem 6 F Proof of Corollary 3 G Proof of Theorem 8 Bibliography Korean Abstract AcknowledgmentsDocto

마이크로월드기반 사이버 수학 멘토링 환경에 관한 연구

학위논문(석사) --서울대학교 대학원 :수학교육과,2008. 8.Maste

Multiuser detection for IDMA system with channel estimation error

Thesis(masters) --서울대학교 대학원 :전기. 컴퓨터공학부,2008.2.Maste

사람, 생쥐, 흰쥐의 간 microsome에 의한 살충제 Carbosulfan, Furathiocarb, Benfuracarb의 비교 대사 연구

Thesis(doctoral)--서울대학교 대학원 :농화학과,2006.Docto

A Study on The Modulation Method for Low Power Communication in Underwater Sensor Nerwork

Underwater sensor network has challenges to be overcome such in long propagation delay resulting from low speed of sound propagation, severely limited range-dependent bandwidth, attenuation and time-varying multipath propagation. All the above distinct features make the performance degradation by generating ISI(Inter Symbol Interference). Also in case of underwater sensor network considers the low power transmission because of environmental limitations. In this thesis, the performances of PSSK(Phase Silence Shift keying) modulation technique for low-power commu nication in underwater sensor network were evaluated. PSSK is a kind of PSK(Phase Shift Keying) schemes, thus it is more bandwidth efficient than the orthogonal modulations, such as PPM, FSK. In addition, PSSK can achieve power efficiency because every symbol of PSSK has a silence period like PPM technique. In the case of M-ary PSSK, one bit determines the silence position of symbol and ()bits determine the phase of the symbol. It is improvement of the combination either of PSK and PPM techniques. Instead of traditional PPM, where some bits determine the position of the pulse, PSSK uses one bit to determine the absence that is the position of silence period of the symbol. Because the transmitter of PSSK transmits the only half energy of a symbol for a symbol period, it can save the transmit power by 3 dB. And 180° phase shift probability is lower than QPSK because of this feature will cause back-off gain. It can also save the transmit power by 1.5 dB. The result of experiment, BER(Bit Error rate) of QPSK modulation method is 2.29×10^-1 and BER of PSSK modulation method is 2.36×10^-1.제 1 장 서 론 1 제 2 장 수중 음향 통신 채널 특성 4 제 2-1절 수중 채널 특성 4 제 2-2절 수중 음향 통신 오차 유발 요인 분석 5 2-2-1. 전달 손실 6 2-2-2. 전달 손실 6 2-2-3. 도플러 확산 7 2-2-4. 잡음 7 제 3 장 저전력 전송 시스템 8 제 3-1절 PPM 전송 시스템 9 3-1-1. PPM 신호의 발생 9 3-1-2. PPM의 타이밍 해상도 10 3-1-3. PPM 시스템의 잡음 특성 13 제 3-2절 M-PSK 전송 시스템 16 제 3-3절 PSSK 전송 시스템 20 3-3-1. PSSK의 성상도와 심벌 구간 20 3-3-2. PSSK의 이론적 분석 21 3-3-3. PSSK의 송신기 22 3-3-4. PSSK의 수신기 23 3-3-5. PSSK의 시스템 전력 효율 및 총 이득 24 제 4 장 모의실험 및 해상 실험 결과 분석 27 제 4-1절 모의실험 환경 27 제 4-2절 모의실험 결과 28 제 4-3절 해상 실험 환경 31 제 4-4절 해상 실험 결과 33 제 5 장 결 론 37 참고문헌 3