One of the distinct objectives of IMT-2000 systems is to support high speed packet data traffic in a mobile personal communications service(PCS) network. The expected growth in demand for data services in addition to the growth in circuit-switched voice traffic requires air interface designs with very high spectral efficiency. To support high speed packet data service, physical layer designs need to utilize advanced coding, modulation, and diversity schemes with enhanced access, power, and interference control mechanisms. Also, resource management with enhanced media access control needs to be devised to support most efficiently various types of concurrent circuit and packet switched data with different quality of service(QoS) and timing requirements.
In this thesis, we focus on resource allocation schemes for high speed packet data service in an integrated voice/data CDMA system. One approach of resource management for high speed packet data service is to schedule the transmission of data traffic so as to avoid intracell interference. Another more complex approach is to reduce intercell interference. The main idea is that the throughput can be increased with lower interference.
First, we analyze the performance of a simultaneous resource allocation(SRA) scheme and a dedicated resource allocation(DRA) scheme in the reverse link of an integrated voice/data CDMA system. In the DRA scheme, the throughput of data users can be maximized when one user among data users is allowed to transmit information at any given time. Using the DRA scheme, resources for data users are allocated with high spectral efficiency. To apply this scheme to an integrated voice/data CDMA system, resources are first allocated to voice users and then residual resources are allocated to data users based on the throughput maximization strategy. For more practical approach, the transmission power of mobile stations is assumed to be limited. Due to this assumption, the performance of SRA and DRA schemes is varied according to the location of mobile stations. We also show the performance under perfect power control and imperfect power control. In order to verify the analysis results, we perform the simulation under the same environment. Simulation and analysis results show that the DRA scheme has higher throughput than the SRA scheme under the conditions that the mobile is located in a limited boundary and the variation of $E_b/N_o$ is minimized.
Second, when the throughput maximization strategy is used, one of the problem is to distribute resources fairly. In order to solve this problem, a fair queueing algorithm is proposed for high data rate service in the reverse link of an integrated voice/data CDMA system. After delay-sensitive voice users are first allocated, residual resources are then allocated to data users. To allocate data users fairly, we introduce short-term and long-term fairness concepts. For these fairness concepts, weighted fair queueing(WFQ) with consideration of a GPS fluid-flow model is used. In order to implement this fair resource allocation scheme, a virtual clock for short-term fairness and a credit table method for long-term fairness are used. Based on these concepts, we propose weighted fair queueing with state control(WFQS). This scheme allocates resources in the consideration of each channel state. When this scheme is applied to wireless channels, the throughput and delay of the data service are shown. Numerical results show that the throughput of each data user has the same characteristics under wireless channel conditions. The throughput of data users can also be increased compared with a conventional WFQ scheme because available resources for data users in bad state are used by other users in good state.
Third, the capacity calculation of the system with high data-rate users is required in order to accommodate high data-rate service in the forward link. On the forward link, a small fraction of the users are assigned with a large fraction of the transmit power. Hence, the capacity is limited if the high data-rate user is closer to the boundary. To solve this problem, we analyze the capacity of the CDMA forward link based on optimum power control. In multi-cell environment, the intracell interference and intercell interference are derived. To show the capacity impact of high data-rate users, we introduce a location dependent factor, which is the ratio of intercell interference to intracell interference. As a result, we show the capacity impact of high data-rate users according to location variations.
Finally, using the location dependent factor, we propose a coordinated resource allocation(CRA) scheme that can be used to allocate high data-rate users in sectorized cells. This scheme is useful for allocating high data-rate users at cell boundaries. In order to analyze the performance of the proposed scheme, we make
an interference model for a sectorized CDMA system and suggest the system load measurement of the forward link. Based on this system load measurement, data throughput for the CDMA system is then analyzed. Numerical results show that throughput is increased when the CRA scheme is used.
본 논문에서는 음성과 데이타가 통합된 CDMA 시스템에서 고속 패킷 데이타 서비스를 지원하기 위해 필요한 자원할당 방법에 대하여 연구하였다. CDMA 시스템에서 고속데이타 서비스를 지원하기 위해서는 고속의 데이타에 적합한 코딩, 변복조등의 물리계층에 적용되는 방법뿐만 아니라 자원관리 면에서도 잡음을 최소화 함으로서 주파수 효율성을 높일 수 있는 방법을 사용하여야 한다. 본 연구에서는 CDMA 시스템의 용량이 간섭에 제한된 시스템이라는 것을 기반으로 주파수 효율을 증가 시키기 위해 순방향과 역방향 링크에서 간섭을 최소화하는 자원할당 방식을 제안하였다.
첫번째 연구에서는 셀 내부 간섭을 최소화 하기 위한 자원할당 방법인 전용자원 할당 방법에 대한 성능을 분석하였다. 전용 자원할당 방법은 내부 셀 간섭을 줄이기 위해 각 프레임에 하나의 사용자를 할당함으로써 주파수 효율성을 높이는 방법으로 본 연구에서는 음성과 데이타가 통합된 역방향 링크의 CDMA 시스템에 적용하기 위해서 음성트래픽의 변동성을 이용하여 각 프레임에 하나의 고속데이타 사용자를 할당하는 방법을 사용하였다. 이러한 전용자원 할당 방법의 성능을 보이기 위해 데이타 사용자를 동시에 할당하는 방법과 비교하여 성능을 분석하였다. 좀 더 현실적인 접근 방법을 위해 사용자 단말의 전력은 한정되어 있는 것으로 생각하였으며 또한 전력제어에 의한 영향을 분석하기 위해 완전한 전력제어와 불완전한 전력제어 상황에서의 성능의 변화를 분석하였다. 분석결과 전용 자원할당 방법과 동시 자원할당 방법은 단말기의 위치와 전력한계, 전력제어의 불완전성 그리고 백그라운드 잡음등에 의해서 상호간의 연관성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 결국 전용자원 할당 방법을 적용하기 위해서는 단말기는 기지국으로 부터 제한된 영역안에 있고 전력제어의 불완전성이 1.5dB이하인 경우에 좋은 성능을 보임을 알 수 있었다.
두번째 연구에서는 첫번째 연구에서 사용된 전용자원 할당 방법을 사용했을 경우 발생하는 공평성 문제를 다루었다. 전용자원 할당 방법을 사용할 경우 먼저 생각해야 될 문제는 각 프레임에 하나의 데이타 단말을 할당하기 때문에 각 단말간의 공평성을 고려해야 되며 또다른 문제는 페이딩으로 인한 채널상황의 변화를 고려하여야 각 프레임에 하나의 데이타 단말의 할당으로 인한 성능 저하를 막을 수 있다. 첫번째 문제를 풀기 위해 단기 공평성(short-term fairness)와 장기 공평성(long-term fairness) 개념을 도입하였다. 단기 공평성은 각 패킷의 도착시간과 단말의 가중치에 의해 가상 종료시간을 계산하여 우선순위를 계산하며 장기 공평성을 위해서는 과거 전송 정보를 누적하여 신뢰값을 계산하는 방법을 사용하였다. 두번째 문제를 해결하기 위해서는 단말의 상태정보를 요청패킷에 포함하여 전송하는 WFQS(Weighted Fair Queueing with State control) 방법을 제안하였다. 시뮬레이션 결과 이러한 방법을 사용함으로써 수율이 개선되고 패킷 지연을 감소시킬 수 있음을 보였다.
세번째 연구에서는 음성과 데이타가 통합된 순방향 링크의 CDMA 시스템에서 고속 데이타 사용자를 할당하였을 경우 용량에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 최적 전력제어가 이루어 진다는 가정하에 순방향링크의 용량을 계산하였다. 패이딩에 따른 용량의 변화를 분석하기 위해 멀티 셀 환경하에 셀 경계면에 있는 사용자의 $(E_b/N_o)$의 분포를 구하여 이를 만족시키는 순방향 링크의 용량을 구하였다. 이러한 방법을 기반으로 고속 데이타 단말의 위치를 변경시키면서 완전 전력 제어와 불완전 전력제어가 이루어 질 경우 용량에 미치는 영향을 구하였다. 분석 결과 고속 데이타 단말이 셀 경계면에 접근함에 따라 순방향 링크의 용량에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 이러한 영향을 표시하기 위해 셀 내부 간섭과 셀간 간섭의 비율을 위치의존치(Location Dependent Factor)로 정의하고 그 값을 구하였다.
네번째 연구에서는 세번째 연구에서 정의한 위치의존치를 기반으로 CDMA 순방향 링크의 부하를 표시할 수 있는 방법을 유도하고 셀 경계면에 있는 고속 데이타 단말 할당에 따른 용량 손실을 막기 위해 셀간 자원할당을 조절하기 위한 CRA(Coordianted Resource Allocation)방법을 제안하였다. CRA방법은 섹터화된 CDMA 시스템의 순방향 링크에서 셀 경계면에 있는 고속 데이타 단말의 할당을 하나의 FIFO를 이용하여 조절하는 방법으로서 고속 데이타 할당에 따른 셀간의 간섭을 줄이는 방법이다. 이러한 방법은 패킷의 에러 확률을 줄임으로서 시스템 성능을 향상 시켰다.
