Until now, CDMA/FDD systems are used to serve the voice service in the world. That is, current CDMA(Code Division Multiple Access) systems based on IS-95A support only a voice communication. However, as users of internet service are growing, the multimedia service including data service is required in the third generation CDMA systems such as 3GPP and 3GPP2. This integrated service (voice and data) needs more careful resource allocation and management scheme. The data service properties may be different from voice service in view of delay requirement, FER requirement, activity factor and so on. Thus, many people develop the multimedia CDMA system supporting various services.
Because CDMA system uses a wider bandwidth than an original datarate, CDMA system has a disadvantage that it is difficult to support the multimedia service such as web service and video service. Moreover, because FDD(Frequency Division Duplex) systems employ the same bandwidth in uplink and downlink channels, the wireless resource can not be efficiently utilized. That is, when traffic patterns are strongly biased toward downlink channels, there is the bandwidth waste in uplink channels and total capacity might be degraded. To overcome this problem, TDD(Time Division Duplex) system can be used. CDMA/TDD system can use entire wireless resource effectively even with traffic asymmetry. Additionally, TDD system can be used in non-paired frequency allocation. And the other advantage of TDD over FDD is that the same frequency channel is used. From this property, reciprocity between uplink and downlink channels exists and many functions such as power control, signal pre-emphasis, shaping and diversity transmission can be implemented in open-loop fashion.
As described in above paragraph, CDMA/TDD system can accommodate multimedia services even with traffic asymmetry. However, because of interference limitations, boundaries between uplink and downlink should be the same in overall cells. This scheme is called by SA(Same time slot Allocation) scheme. In this situation, traffic asymmetry among cells can not be supported. That is, if we assume that uplink traffic is major in one cell and downlink traffic is major in other cells, current TDD scheme can not use effectively the wireless resource. Thus, we need the resource management scheme for CDMA/TDD system in multi-cell environments.
In this thesis, we propose a time slot reallocation scheme that is an advanced version of SA scheme. In SA scheme, TDD system should obtain the traffic load of uplink and downlink, and the boundary should be changed periodically in a long term. Thus, the signaling traffic is very low and it is simple to apply our scheme in the practical CDMA/TDD systems. However, because it is not easy to
change the time slot boundary, SA scheme cannot serve the traffic variation in each cell and it restricts the resource utilization. And because of the inter-cell interference problem in TDD systems, DA scheme is not appropriate for multicell model without any control. To solve this problem, we propose a time slot reallocation scheme that is an advanced version of SA scheme. We call it TR-SA(Time slot Reallocation based on SA) scheme. Our TR-SA scheme is basically based on SA scheme. That is, in the normal situation, TR-SA scheme is operated as SA scheme. But, if any cell has a heavy traffic and it is necessary to modify the time slot boundary, the time slot reallocation is performed according to neighbor cell`s traffic situation. Thus, TR-SA scheme has more flexibility than SA scheme. And it is adaptive to each cell`s traffic asymmetry.
In this thesis, we propose DARD(Different time slot Allocation based on a Region Division) scheme in which slot boundaries for each cell can be different and crossed slots are assigned to inner-region mobiles. The previous DA(Different time slot Allocation) scheme allows a flexibility in resource usage but also generates a crossed slot problem to cause significant inter-cell interference. To solve this problem, we divide a cell`s area into two regions(inner-region and outer-region). And the resource of crossed slots should be allocated to mobile stations which are located in the inner-region. Using this scheme, interfering mobiles are separated and the significant inter-cell interference can be controlled in crossed slots. That is, although TR-SA scheme avoids the crossed slot problem, DARD scheme utilizes the crossed time slot. Therefore, our proposed DARD scheme increases the resource utilization and decreases the blocking probability of the system as a whole. Especially, in case that each cell has a different traffic asymmetry, DARD scheme outperforms conventional schemes.
Next generation cellular system would be operated in overlaid mode. Microcells serve low mobility and high data rate users. And Macrocells adopt the high mobility and low/medium data rate users. As an example of this overlaid system, microcells are operated in CDMA/TDD mode and macrocells are operated in CDMA/FDD mode. CDMA/FDD systems are used for macrocells in current cellular systems. And because TDD systems can serve the high date rate and is flexible for next generation`s multimedia service, TDD systems are appropriate for both picocell and microcell. To reduce the forced termination probability of low mobility users, these users are directed to a larger macrocell which is superimposed on a group of microcells, if there are no idle channels in a microcell. In this situation, because channels can not be released during the duration of a call, some high mobility users will not be served in the macrocell. Therefore, the forced termination probability of high mobility users is large compared with low mobility users. To alleviate these problems we propose a hierarchical cellular system with an underflow scheme. This is especially important in a nonuniform traffic situation where some microcells have a large traffic load while others have a small load. In this situation, the underflow scheme provides a considerable decrease in view of the call blocking probability and the forced termination probability.
현재까지 CDMA/FDD시스템은 음성통화 서비스를 제공하기 위해서 사용되고 있다. 하지만 인터넷 사용자의 수가 급격히 증가함에 따라서 3GPP와 3GPP2의 3세대 이동통신 시스템에서는 데이터 서비스를 포함한 멀티미디어 서비스 제공이 요구되고 있다. 이러한 음성/데이터의 통합 서비스를 제공하기 위해서는 좀 더 주의깊은 자원 할당 및 관리 방안이 필요하다. 데이터 서비스의 경우 기존의 음성 서비스와 비교할 때에 시간 지연, FER조건 및 활성화 빈도 등의 특성들이 다르다. 이에 따라서 다양한 서비스가 제공되는 멀티미디어 CDMA시스템이 연구되고 있다.
CDMA시스템은 원래의 데이터전송율보다 넓은 대역폭을 사용하기 때문에 웹서비스나 영상서비스를 사용하기에는 어렵다는 단점을 지니고 있다. 그리고 FDD\\(Frequency Division Duplex)시스템의 경우에는 상향채널과 하향채널간에 같은 대역폭을 채용하고 있기 때문에 무선 자원을 효율적으로 활용할 수 없다. 즉, 트래픽 패턴이 하향채널에 몰리는 경우에는 상향채널의 무선 자원이 활용되지 못하게 되고 결국은 전체적인 용량이 감소하는 측면까지 나타나게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 TDD(Time Division Duplex)시스템이 사용될 수 있다. CDMA/TDD시스템은 비대칭적인 트래픽 상황에서도 무선 자원을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 상향채널과 하향채널이 동일한 주파수 대역을 사용하기 때문에 전력제어, 신호 전처리 및 다이버서티 전송 등의 기능이 쉽게 구현될 수 있다는 장점이 있다.
이미 설명한 바와 같이 CDMA/TDD시스템은 비대칭적인 특성을 지닌 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있다. 하지만, 주변 기지국의 간섭 문제때문에 상향슬롯과 하향 슬롯간의 경계를 전체 시스템내에서 동일하게 유지해야 한다. 이러한 방식을 SA(Same time slot Allocation) 방식이라고 부른다. 이러한 SA방식에서는 기지국간의 트래픽 부하 차이를 수용하지 못한다. 즉, 어떤 기지국에서는 상향채널의 부하가 높고 또 다른 기지국에서는 하향채널의 부하가 높다면 현재의 TDD시스템에서는 무선 자원을 충분히 활용할 수 없게 된다. 그러므로 멀티셀 환경에서의 CDMA/TDD시스템을 위한 자원 관리 방안을 연구할 필요가 있다.
본 논문에서는 SA방식의 수정된 방안을 제안한다. SA방식에서는 TDD시스템이 긴 시간 주기를 갖고 상향채널과 하향채널의 트래픽 부하를 측정하고 주기적으로 채널간의 경계를 적절한 값으로 변경하여야 한다. 그러므로 SA방식을 실제 시스템에 적용할 때에 신호 부하는 그리 크지 않다. 하지만 시간 슬롯 경계를 바꾸는 것이 쉽지 않기 때문에 SA방식은 각 기지국마다 다른 트래픽 특성을 맞추기는 어렵고 따라서 자원효율이 제한을 받게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 주제에서는 SA방식의 수정된 방안인 TR-SA(Time slot Reallocation based on SA)방식을 제안한다. TR-SA방식은 기본적으로 SA방식으로 동작한다. 즉, 일반적인 트래픽 환경에서는 SA방식과 동일한 동작을 한다. 하지만 어떤 임의의 기지국에 트래픽이 과부하가 걸리고 시간슬롯 경계를 보정해야할 필요가 있다면 TR-SA방식은 주변 기지국의 트래픽 상황을 파악하고 시간슬롯 경계를 바꾼다. 따라서 TR-SA방식은 SA방식보다 많은 유연성을 갖고 있으면서 각 기지국간의 트래픽 차이에 적응적으로 동작한다.
또한 본 주제에서 각 기지국에서 슬롯 경계를 다르게 운용할 수 있고 중첩 시간 슬롯을 사용할 수 있는 DARD(Different time slot Allocation based on a Region Division)방식을 제안한다. 기존의 DA(Different time slot Allocation)방식은 자원 활용면에서 유연성이 뛰어나지만 심각한 간섭문제를 유발시키는 중첩 시간 슬롯 문제가 있었다. 이러한 중첩 시간 문제를 해결하기 위해서 우리는 기지국 영역을 내부 영역과 외부 영역으로 나눈다. 그리고 중첩 시간 슬롯의 자원을 내부 영역에 위치한 단말국에게 할당한다. 이러한 방식을 사용하면 중첩 시간 슬롯을 사용하는 단말국간의 거리를 어느 정도 이상으로 유지할 수 있고 따라서 중첩 시간 슬롯에서의 간섭량을 조절할 수 있다. 정리하면, TR-SA방식은 중첩 시간 슬롯 문제를 해결하는 방식인데 반해서 DARD방식은 중첩 시간 슬롯을 적극적으로 활용하는 방안이다. 따라서 본 주제에서 제안된 DARD방식은 자원 활용도가 높고 전체 시스템에서의 호 거부 확률을 낮출 수 있다. 특히, 각 기지국당 트래픽 특성이 다른 경우에는 DARD방식이 기존의 다른 방식보다 월등한 성능을 보일 수 있다.
차세대 이동통신 시스템은 중첩된 구조로 운용될 것이다. 즉, 마이크로셀은 이동성이 적고 데이터 전송율이 높은 사용자를 수용하고 매크로셀은 이동성이 높고 데이터 전송율이 낮은 사용자를 수용한다. 이러한 중첩구조 시스템의 예로서 마이크로셀은 CDMA/TDD모드로 동작하고 매크로셀은 CDMA/FDD모드로 동작하는 시스템을 고려할 수 있다. CDMA/TDD시스템은 높은 데이터 전송율을 지원하기가 용이하고 멀티미디어 서비스제공이 쉽기 때문에 피코셀이나 마이크로셀에 적합하다. 저속 사용자의 호 중단확률을 낮추기 위해서는 마이크로셀의 채널이 없는 경우에 좀 더 큰 매크로셀로 오버플로우시킨다. 이러한 경우 호가 정상적으로 종료할 때까지 매크로셀의 채널을 사용하기 때문에 고속의 사용자가 매크로셀에서 정상적으로 서비스받지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 그러므로 저속의 사용자에 비해서 고속의 사용자의 서비스 품질이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 언더플로우 방안을 제시한다. 이 방식은 과부하 기지국이 발생하는 경우에 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다. 제안된 언더플로우 방안은 호 거부 확률과 호 강제 종료 확률을 낮출 수 있다.
