Speed estimation of subscribers of mobile communication systems and the application of the estimated speed to wireless resource management are addressed in this work. Speed information of users can be used in efficient managements of limited wireless resources of mobile communication systems. The application areas of speed information are such as intelligent paging, cell selection in umbrella cellular architecture, etc. In resource management using speed information, there are three important approaches. One in to estimate the speed of users easily and cheaply with an accuracy enough to serve the purpose of the wireless resource management. The other is to find new areas of resource management to apply the speed information to. The third is to increase the effectiveness of the existing wireless resource management methods which use the speed information. These three factors are combined to achieve effective wireless resource management methods. Therefore, this thesis first addresses the speed estimation method and then considers the application areas of the speed information to the resource management.
There have been several existing methods of speed estimation of users in cellular systems. They use GPS, MEMS, short-term fading, cell sojourn time and so on. Each of them has different degrees of accuracy, availability, cost and applicability. Among them, speed estimation using the short-term fading has a high accuracy in isotropic wave scattering environments with low noise level. Also, short-term fading has a very close relationship with wireless channel quality. Therefore, a view on the short-term variation of received signal can be used in adapting to the channel quality change. This thesis addresses the speed estimation using the derivative and correlation properties of a received wave envelope for additive noise and Rayleigh fading environments. The effect of noise and nonzero sampling interval on the accuracy of the speed estimation is derived. In addition, we propose methods to correct the estimation errors due to the noise and sampling interval. The proposed methods are compared with the speed estimation method using the typical level crossing rate. Simulation results show that the proposed estimation method shows better performance than the level crossing rate in additive noise and Rayleigh fading environments.
The signal fluctuation information used in the speed estimation can be exploited in data transmission control in CDMA systems. A new data transmission control for transmit power reduction in the dowmlink of CDMA systems is proposed in this thesis. In the proposed method, a mobile station(MS) connected to a base station(BS) estimates the fading condition of the next frame based on the received signal power variation and feeds back this information to the corresponding BS. The BS determines the MSs to which it transmits data based on the fading information from the MSs. Simulation results show that the proposed scheme saves the transmit power greatly when the speed of MS is relatively low and Rician factor is small. This reduced transmit power results in the capacity increase of CDMA systems.
Next, soft handoff scheme considering MS mobility in CDMA cellular systems is investigated. Although the capacity of CDMA systems is interference-limited in nature, a channel shortage may occur because soft handoff uses several channels simultaneously. To cope with this problem, we propose an improved handoff method which borrows channels from stationary calls participating in soft handoff and allocates the borrowed channels to handoff requests by moving calls when a channel shortage occurs. Borrowing from stationary calls is possible because these calls do not undergofast-fading and therefore do not require receiver diversity. The proposed method is designed to avoid interference increase resulting from the channel-borrowing. The proposed channel-borrowing handoff scheme is analyzed in a situation involving both moving and stationary calls. A comparison is made between the performances of the typical IS-95-based handoff scheme and the proposed scheme. Numerical results show that the proposed scheme is better than the IS-95 scheme in view of the handoff refused probability, the handoff queuing delay and total interference.
This thesis is also concerned with location management which uses MS mobility information. Location management can be divided into location registration and paging. First, we address two situations of intelligent paging. In the first situation, sequential paging in the case that MS location distribution is uniform is comcerned. We consider the problem when there are two paging traffics, voice call paging traffic and supplementary service traffic. Voice call paging traffic should be delivered with-out delay, while supplementary service traffic has some tolerance to paging delay. Three sequential paging methods for serving the two class paging traffics are proposed and compared in this work. One is to treat the two traffics equally, another is to give higher priority to the call paging traffic over supplementary service traffic and the other is to use different paging area size for each traffic.
We also address intelligent paging scheme which uses non-uniform MS location distribution and non-uniform paging load distribution. Previous studies of intelligent paging scheme have considered location probability distribution of a user but not considered non-uniform paging load distribution resulting from intelligent paging itself. Therefore, the paging delay cost of intelligent paging is not addressed properly. We propose in this thesis a modified paging cost structure of the intelligent paging scheme in which a paging sequence of the cells in a location area is determined considering both the probability distribution on location and the paging load distribution. However, to obtain a polynomial time algorithm for the optimal paging sequence in the modified paging scheme is NP-complete problem. Therefore, we propose a simple polynomial time heuristic algorithm for determination of the sub-optimal paging sequence. Numerical results show that the sub-optimal paging sequence obtained using the heuristic algorithm is almost identical with the optimal paging sequence.
Finally, an optimum timer value of area and timer-based location registration scheme with intelligent paging is derived. In the case of fixed location area, the optimum registration timer value depends on speed and call arrival rate of MS. If the speed or call arrival rate of MS is high, location registration based on timer value should be performed frequently. Otherwise, location registration based on the crossing of location area is sufficient.
본 논문에서는 이동통신시스템에서 단말의 속도 예측과 이의 무선 자원 관리에의 응용기법을 다룬다. 단말의 속도 예측은 이동통신망의 한정된 무선 자원의 효율적인 운용에 사용될 수 있다. 속도 정보의 응용 영역으로는 지능형 페이징, 우산셀 구조에서 셀 선택 기법등이 있다. 속도 정보를 이용한 자원 관리에는 세가지 접근 방식이 있다. 첫번째는 단말의 속도를 자원 관리에 사용할 수 있을 정도로 쉽고 정확하게 측정하는 방식을 찾는 것이다. 두번째는 속도 정보의 응용 영역을 찾는 것이며 마지막은 속도 정보 응용의 효율성을 높이는 것이다. 이 세가지 요소들이 더해져서 효과적인 무선 자원 관리를 달성하게 된다. 따라서 본 논문은 먼저 속도 추정 방식을 다루고 그 후에 속도 정보의 무선 자원 관리에의 응용 영역을 다룬다.
셀룰라 환경에서 여러가지 속도 추정 방식들이 있다. 즉, GPS, MEMS, 단구간 페이딩, 셀 체류 시간등을 이용할 수 있다. 이들은 각각 정확도, 이용가능성, 비용과 응용 영역등에서 다른 특징을 가진다. 이들 중 단구간 페이딩을 이용한 속도 추정은 낮은 잡음과 균등한 전파 입력 환경에서 높은 정확도를 가지며 동시에 무선 채널의 품질과 밀접한 관계를 가진다. 따라서 수신 신호의 단구간 변화를 관찰함으로써 채널 품질의 변화에 적응할 수 있다. 본 논문은 부가잡음과 레일리 페이딩 환경에서 수신 신호의 미분계수와 상관계수를 이용한 속도 추정을 다룬다. 부가 잡음과 추출 주기가 속도 추정의 정확도에 대해 미치는 영향이 수식적으로 유도된다. 또한 부가 잡음과 추출 주기로 인한 속도 추정 오차를 보정하기 위한 방식이 제안된다. 시뮬레이션 결과에 따르면 제안된 방식은 level crossing rate를 이용한 속도 추정방식에 비해 훨씬 나은 성능을 보인다.
속도 추정에 사용된 신호 변동 정보는 CDMA 시스템에서 데이타 전송 제어에 사용될 수 있다. 본 논문은 CDMA 시스템이 순방향링크에서 전송 전력의 절감을 위한 새로운 데이타 전송 제어 방식을 제안한다. 제안된 방식에서 단말은 수신 신호로부터 다음 프레임의 페이딩 상태를 예측하고 이를 기지국으로 보낸다. 기지국에서는 이들 정보에 기초하여 다음 프레임에 데이타를 전송받을 단말을 선택한다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 단말의 속도가 낮고 직접파 성분이 작을 때, 제안한 방식은 전송 전력값을 크게 줄인다. 감소한 전송 전력값은 CDMA 시스템의 용량을 개선하게 된다.
다음은, CDMA 시스템에서 단말의 이동성을 고려한 소프트 핸드오프 방식을 제안한다. CDMA 시스템의 용량이 이론상 잡음량에 의해서 제한되지만, 실제로는 채널 부족상황이 먼저 발생할 수 있다. 본 논문은 이 경우에 대해서 소프트 핸드오프에 참여중인 정지한 단말로부터 채널을 빌려와서 핸드오프를 요구하는 이동중인 단말에게 할당해주는 방식을 제안한다. IS-95 소프트 핸드오프 기법과 비교하였을 때, 제안된 방식은 핸드오프 실패율, 핸드오프 대기 시간과 총 잡음량에서 더 나은 성능을 보인다.
이어서 단말의 이동성을 위치 관리에 응용하는 기법을 다룬다. 위치 관리는 위치 갱신과 페이징으로 이루어진다. 먼저 우리는 두 가지 지능형 페이징을 다룬다. 첫번째는 단말의 균등한 위치 정보를 이용하여 음성 호 페이징 트래픽과 보완 서비스 트래픽이 존재하는 경우에 순차적 페이징 기법에 대해서 다룬다. 음성 호 페이징 트래픽은 보완 서비스 트래픽보다 빨리 전송되어야 한다는 점을 고려하여 세가지 페이징 기법들을 제안하고 비교한다. 두번째로 단말의 위치 분포와 페이징 부하의 분포가 비균등인 일반적인 경우에 지능형 페이징 기법에서 최적 페이징 순서를 다룬다. 우리는 이 경우에 해당하는 페이징 비용을 새로 정의하고 이의 해를 구하는 문제를 푼다. 이 문제는 외판원 문제이며 따라서 다항 시간 해법을 구할 수 없다. 우리는 다항 시간 알고리즘인 발견적 해법을 제안하여 branch & bound 방식을 이용하여 구한 최적해와 비교하였다. 제안한 방식은 계산량을 크게 줄이면서도 최적해와 거의 근사한 해를 보인다.
마지막으로 위치 영역과 타이머를 이용한 위치 갱신 기법에서 최적 타이머 값에 대하여 다룬다. 이 때 지능형 페이징 기법이 사용된다고 가정하였다. 최적 타이머 값은 단말의 속도와 호 도착율에 의해서 결정된다.
