The voice only service has rapidly been making way for the packet switched multimedia services. In a cellular mobile system, multimedia services will soon be the mainstream ones, the pace of which is expected to be quantum-jumped by the 3G system. In this Ph.D dissertation, we analyze three problems of operation management and network design for WCDMA systems, the most promising 3G candidate system.
First, we propose an optimal setup of interference thresholds. The cell capacity of a CDMA system is mainly determined by the sum of interferences generated by call connections. Focusing on downlink interferences in a WCDMA system, we address a threshold-type call control scheme. Finding the characteristic pattern of an expected cell-throughput, we formulate a mathematical program maximizing the system throughput. The solution shows the optimal interference threshold value for each cell, which also demonstrates the effects of allowing differences in thresholds among cells.
Next, we address call access control in the WCDMA downlink common channels. Proposed is a policy consisting of two phases, the first screening calls for admission, and the second scheduling call services according to the most popular preemptive FIFO rule. The scheduling mechanism is first depicted on the infinite vertical time-strip with width representing the aggregate capacity of common channels, by denoting a call service as positioning the corresponding call-rectangle thereon. Enabled by this depiction, we apply the existing results on the two dimensional bin packing problem in projecting the sojourn time of an arriving call. The first phase of call admission control is based on the projections, from the characteristics of which calls, once admitted, are guaranteed to be serviced within allowable delay. The performance of the proposed access control policy is extensively tested with realistic input data. The results are found convincingly affirmative for its practical applicability.
Finally, we analyze a new method estimating the required system capacity which services the given combination of multiple types of call demands. System capacity requirement is estimated here for given multimedia packet demands in a CDMA system. The Erlang-based estimation method, commonly used for conventional data services, is avoided owing to the marked difference in packet pattern generated from emerging multimedia services. System capacity determination depends on how the capacity is shared, or the most important attributes of effective bandwidth and time slots, are allocated, among multiple service calls. In addition to this two dimensional resource requirement, one should take into account the fact that each type of service call differs in allowable time delay as well.
통상적인 음성위주의 통신서비스는 패킷 데이터 전송을 통한 멀티미디어 서비스로 빠르게 전환되고 있다. 이는 셀룰러 시스템에서도 마찬가지로 멀티미디어 서비스가 이동 셀룰러 시스템의 메인 서비스로 자리잡는 것은 시간문제일 뿐이다. 이러한 셀룰러 시스템의 발전은 3G시스템의 도입으로 중요한 전기를 맞았다. 본 논문에서는 핵심3G시스템인 WCDMA 시스템에서의 운용기술과 네트워크 설계에 대한 3가지 문제를 분석한다.
WCDMA 운용기술에 대한 첫번째 이슈로 간섭한계(interference threshold)의 최적 설정기법을 제안한다. CDMA시스템의 셀 용량은 call 접속에 따라 발생하는 간섭 (interference)의 총량에 의해 결정된다. 즉 셀에 발생하는 간섭을 셀내(inner cell)와 셀외(inter cell) 간섭으로 구분하고 셀내 간섭과 셀외간섭간의 관계를 분석하여 최적 간섭한계를 설정함을 목표로 한다. 한 셀 (one cell)의 관점에서 보면 셀내 간섭량은 간섭한계의 설정으로 조절할 수있음에 주목하고 셀외 간섭은 주변 셀들(neighboring cells)의 간섭한계 설정에 직접적인 관계가 있음을 밝히고 이를 수학적으로 모델링 하여 멀티 셀 시스템에서의 각 셀별 최적 간섭한계를 설정한다. 최적 간섭한계의 설정은 셀들 전체의 기대 전송률 (expected throughput)의 최대화를 목표로 설정한다. 간섭한계와 셀의 기대전송률 사이에는 확률적인 기대값의 관계가 있으므로 하나의 수학 모델(mathematical programming model)을 구성할 수 있다.
다음으로 WCDMA에 인터넷 메시지들을 전송함에 있어 호 제어 (call control)기법에 대해 논한다. 인터넷 메시지들은 WCDMA의 채널 구조중 공용채널 (common channel)에 적합한 메시지 특성을 갖고 있어 제안하는 기법은 WCDMA 공용채널을 이용해 인터넷 메시지를 전송할 때 메시지 단위의 QoS 를 보장하기 위한 기법이다. 제안하는 호 제어 기법은 두단계로 이루어져 있다. 첫 단계는 호 승인 (call admission)을 위한 스크리닝(screening) 단계고 두번째 단계는 축출형 FIFO (preemptive FIFO) 룰에 의한 호 스케줄링 (call scheduling)기법이다. 이 스케줄링 기법은 WCDMA 공용채널을, 가로축이 셀의 간섭한계 (interference threshold, 앞 단락에서 언급한), 세로축이 시간흐름 (time span)인 하나의 트렁크 채널로 보고 이 트렁크에 사각형 바(bar)로 표현된 call을 배치하는 형태로 한 셀의 자원 운용형태를 시각화 하는데 그 핵심이 있다. 이런식의 시각화는 WCDMA 공용채널에서의 인터넷 메시지 전송을 전통적인 2차원 빈 패킹 (two dimensional bin packing) 모형으로 매칭할수 있게 해준다. 2차원 빈 패킹 모형의 결과들을 응용하여 호의 시스템 체류시간 (system sojourn time)이 일정한 한계를 가짐을 수학적인 추론에 의해 알 수 있다. 여기에 메시지 단위의 QoS보장, 즉 주어진 한도 시간안에서의 전송 보장을 위해선 축출형 FIFO를 스케줄링 룰로 쓴다는 전제하의 시스템 체류시간에 대한 추정이 필요하다. 이 추정은 매우 간단한 함수 (그 증명은 복잡한) 를 통해 단시간에 끌어 낼수 있고 얻어낸 체류 추정 시간을 호 승인의 기준으로 삼으면 이 절차에 의해 승인을 받은 호는 시스템에서 반드시 주어진 한도 시간내에서 처리할 수 있게 된다. 호 승인 절차와 스케줄링의 밀접한 결합으로 메시지 단위 즉, 개인 단위의 QoS를 보장 할 수 있는 최선의 대책을 마련하게 된다.
마지막으로 실제 사업자들이 시스템에 장비 설치를 위해 결정해야 하는 FA (Frequency Allocation)의 수를 설정하는 방법을 제시한다. 물론 멀티미디어 환경을 그 대상으로하며 앞 단락에서 제시한 스케줄링과 호 승인 기법을 사용하였을때 호 거부율 (call block rate)를 주어진 기준이하로 유지하는 FA의 수를 구하는 기법을 마련하였다. 즉 주어진 수요 패턴에서 FA수를 변화 시키면서 축출형 FIFO와 체류 시간을 기준으로 삼는 호 승인 기법을 적용하였을때 얻어지는 호 거부율을 시뮬레이션을 이용해 얻어낸 후, 주어진 기준 이하의 호 거부율을 갖는 최소의 FA수를 셀의 FA수로 결정하게 된다.
제시한 3가지 기법은 WCDMA의 네트워크 설계와 운용기법설계에 있어 핵심적인 내용들이다. 특히 인터넷으로 대표되는 멀티미디어 환경에서 적절한 간섭한계의 설정, 설정된 간섭한계를 개인 QoS를 만족시키며 최대한 이용하는 방법, 그리고 셀에 설치하여야 하는 FA의 수의 설정에 까지 멀티미디어 WCDMA의 운용에 그 틀을 마련하였다.
