CDMA scheme has become a most promising technology for the future cellular systems due to its various advantages. As for all other systems, it is essential for the CDMA cellular system operator to provide services with the smallest number of failures, good quality and the widest availability. These needs motivate us to develop new call control strategies and to analyze the load offered to a cell in the CDMA cellular system.
One of the most important merits of the CDMA cellular system is its soft handoff capability provided by path diversity. Once in the soft handoff region, a mobile is usually linked via multiple, typically two, signal paths to neighboring base stations, guaranteeing a smooth switchover to a target base station. Additional improvement in the grade of service may also be achieved when multiple signals thus received of distinguishable quality. This capability, however, incurs extra load on the system due to the increase in the number of channels occupied and reserved for path diversity. The larger the soft handoff region is, the more the traffic load is offered to the CDMA system. In this thesis, therefore, the functional relationship between the size of the region and the amount of offered load due to the path diversity is analyzed for the efficient operation of the CDMA system. To expedite the load analysis, two kinds of loads, attributable respectively to new and handoff calls, are differentiated with additional objective of accommodating advance features like giving handoff calls priority. Further dividing handoff calls into two kinds, we derive a load balance equation for the CDMA system, which consists of an infinite number of identical cells. From this equation, three different loads at a cell are all exactly obtained in association with the size of the soft handoff region. Comparative analysis with the case of hard handoff shows how many extra channels to reserve for the path diversity in a given soft handoff region.
A novel handoff call control scheme is then proposed to alleviate effectively the excessive use of channel resources. For the entering calls into the cell, we use the cutoff priority scheme giving a priority to the handoff calls. And for the leaving handoff calls from the cell of interest, if the number of ongoing calls in the cell is greater than a prespecified level, the channel assigned to the mobiles station is instantly released and the mobile station moves to the other cell without soft handoff process. For CDMA cellular systems consisting of homogeneous cells, a variety of traffic parameters are estimated by the detailed mobility analysis, based on which a Markovian queueing model is developed to analyze the performance of proposed call control scheme. With a well-known performance objective, furthermore, a mathematical problem of finding optimal call control parameters is proposed, along with its solution method.
This thesis is also concerned with a CDMA cellular system with unbalanced traffic environment such that a cell with high traffic should be assigned a frequency additional to the common one shared with its neighboring cells. To remove quality-dropping inter-cell hard handoffs that a call using a new frequency is handed off to a common frequency assigned to a neighboring cell, the cell with high traffic is first partitioned into two regions, rendering the underlay-overlay cell structure. The mobiles in outer region are only assigned to common frequency channel, and the mobiles in the inner region to the common frequency channel or the additional frequency channel. Base on the exact traffic model driven in this thesis, an optimization model minimizing the rate of intra-cell handoff with requirement for the grade of service is developed. And we derive some interesting relations between the grade of service and handoff rate, from which the solution of the optimization model is efficiently obtained. Then the above frequency operation method is extend by partitioning the cell into three regions. The common frequency is assigned in the outermost region, and the additional frequency is operated in the innermost region, whereas both the common frequency and the additional frequency are operated in the middle region. The rate of intra-cell hard handoff under the frequency channel operation scheme partitioning the cell into three regions is found much less than the one under the case partitioning the cell into two regions. This frequency assignment strategy is shown not only to remove inter-cell hard handoffs without requiring extra hardware, but also to reduce intra-cell hard handoffs.
여러 가지 장점을 지니고 있는 CDMA 방식은 차세대 이동통신에 사용되어질 가장 유력한 기술로 부각되고 있다. 이러한 CDMA 방식을 사용하는 이동통신 시스템에서도 다른 이동통신 시스템에서와 마찬가지로 한정된 주파수 자원으로 양질의 서비스를 제공하기 위한 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 무선 채널 효율적 운용을 위한 새로운 방법을 제안하고 그 방법에 따른 성능을 분석하며, 소프트 핸드오프로인해 시스템에 추가로 발생되는 부하를 도출한다.
CDMA 이동통신의 가장 중요한 장점 중에는 소프트 핸드오프가 있다. 소프트 핸드오프 영역에 머무는 이동국은 두개 이상의 기지국으로부터 통신을 수행하므로 핸드오프 호에 대해 보다 나은 서비스 품질을 제공한다. 그렇지만 소프트 핸드오프로 채널 사용이 늘어 나므로 소프트 핸드오프 영역을 크게 할수록 시스템의 트래픽 부하를 가중시킨다. 따라서 CDMA 시스템의 적절한 운용을 위해서 핸드오프 영역의 크기에 따라 기지국에 발생하는 트래픽 부하를 분석 한다. 또한 핸드오프 호에 우선권을 주는 방법들에 있어서는 신규호와 핸드오프 호의 트래픽 구분이 중요하므로 호를 기지국에서 발생하는 신규호, 그 셀에서 발생한 핸드오프, 다른 셀에서 발생한 핸드오프 호로 분류하고, 균등한 트래픽을 가지는 시스템을 대상으로 하나의 균형 방정식을 도출한다. 호의 도착율 및 평균 서비스 시간의 수학적 계산과 이미 도출된 균형 방정식으로부터 세가지 종류 각각의 트래픽 부하를 정확히 구한다. 하드 핸드오프와의 비교 분석을 통하여 소프트 핸드오프를 수행하기위해 얼마나 많은 채널이 필요하지 제시한다.
이미 기술한 바와 같이 소프트 핸드오프는 핸드오 프호의 통화 품질은 향상 시키나 신규호나 핸드오프호의 호손실을 증가 시킨다. 따라서 소프트 핸드오프로 인한 채널 사용 증가를 효율적으로 관리하기위해 새로운 채널 운용 방법을 제시한다. 기지국에 접속을 요구하는 호에 대해서는 차단우선(Cut-off priority) 전략을 이용하여 진입하는 핸드오프 호를 보호하고, 그 셀을 떠나기 위해 핸드오프를 요청하는 호에 대해서는 임계치 형식(Threshold type)전략을 이용하여 기지국의 부하를 줄인다. 즉 셀을 떠나기 위해 핸드오프를 요청하는 경우 현재 진행 중인 호가 일정 수 이하 이면 소프트 핸드오프를 수행하고 그렇지 않으면 하드핸드오프를 수행하여 핸드오프로 인한 채널 사용을 줄인다. 이러한 방법은 시스템에 부하가 적은 경우는 소프트 핸드 오프의 장점을 충분히 활용하여 좋은 서비스 품질을 제공하고, 트래픽 부하가 많을 때는 핸드오프 호의 서비스 시간을 적도록하여 호 손실을 줄인다. 제안된 호 제어 전략의 성능을 분석하기 위해 균등 트래픽 부하에서의 트래픽 모형으로부터 호 도착율과 평균 서비스 시간을 구하고, 이것에 기초한 마코비안 큐잉(Markovian queueing) 모형을 개발한다. 또한 신규호와 핸드오프호의 호손실을 일정 수준 이하로 하면서 서비스 품질을 최대화 시키는 최적화 모형과 그 해법을 제안하고, 다양한 예제를 통해 제안된 방법의 효과를 검증한다.
CDMA 이동통신 시스템에서도 셀들에서 발생하는 트래픽 차이로 인해 각각의 셀에 할당되어지는 채널 수가 달라질 수 있다. 즉 공통 채널이 모든 기지국에 할당되어 있을 때 임의의 한 셀에 트래픽이 증가하여 공통 채널만으로는 수용이 불가능하면 그 기지국에 추가채널을 할당 해야 한다. 이 경우 추가 채널을 사용하는 호가 인접 셀로 이동하는 경우 주파수를 달리하는 셀간 하드 핸드오프가 발생할 수 있다. 시간 동가화가 이루어진 CDMA 시스템에서는 주파수를 달리하는 셀간 하드 핸드오프는 수행이 어려울 뿐만 아니라 핸드오프호의 서비스 품질을 저하 시키므로 셀간 하드핸드오프 제거를 위한 무선 채널 운용 방법들을 제안한다. 먼저 트래픽 부하가 많은 셀을 하나의 경계를 이용하여 underlay-overlay 셀 구조의 두개의 영역으로 구분한다. 바깥쪽 영역은 공통 채널만 사용하여 셀간 하드 핸드오프를 제거했으며 안쪽 영역은 추가 채널 및 공통 채널을 사용한다. 즉 안쪽에서 발생하는 신규호는 추가 채널을 할당하고 바깥쪽에서 안쪽으로 진입하는 호에 대해서는 공통 채널의 부하를 고려하여 일정 비율 만큼만 셀내 하드 핸드오프를 수행한다. 바깥쪽에서 발생하는 신규호, 다른 셀에서 진입하는 핸드오프 호 및 안쪽에서 바깥쪽으로 진입하는 호 모두는 공통 채널을 할당한다. 제안된 방법은 셀간 하드 핸드 오프를 제거하는 대신 셀내 하드 핸드오프를 발생 시키나 셀내 하드 핸드오프의 경우 시간 동기화 정보를 쉽게 얻을 수 있어 그 수행이 쉽다. 또한 서비스 품질을 일정 수준 이상 유지하면서 셀내 하드 핸드오프를 최소하기위한 최적화 모형을 개발 하며, 그 해를 효율적으로 구하는 방법을 제시한다. 다음으로 위에서 제안된 방법을 두개의 경계를 이용하여 셀을 세개의 영역으로 구분하는 방법으로 확장한다. 가장 안쪽의 영역은 추가 채널 만 사용하며, 가장 바깥쪽 영역은 공통 채널만 사용하고, 중간 영역은 추가 채널과 공통 채널을 동시에 사용한다. 즉 중간 영역의 경우 신규호는 무작위로 공통 채널과 추가 채널 중 하나에 할당하며 다른 영역에서 진입하는 호에 대해서는 사용 중인 채널을 계속 유지하게 하여 셀간 하드 핸드오프의 발생을 줄인다. 두개의 경계에 따른 핸드오프 율 과 호손율을 이용하여 성능 분석을 수행한 결과 제안된 방법은 셀간 하드 핸드 오프는 완전히 제거 할 뿐만 아니라 셀내 하드 핸드오프도 효율적으로 줄이므로, 비균등 트래픽 상황에서 무선 채널 운용에 좋은 대안이 될 것 이다.
