The radio resource management (RRM) is responsible for the proper utilization of the radio resource in order to guarantee the quality of service (QoS) to the offered services, to maintain the planned coverage area, and to offer high capacity. The scarcity of the radio resource makes the RRM one of the most important engineering issues in wireless and mobile communication systems. Moreover, with the rapid growth of the demand for wireless multimedia services requiring large bandwidth, the RRM in the 3G has more importance to ensure QoS of various services.
The RRM in the WCDMA system includes resource allocation, call admission control, power control, handoff control, and packet scheduling functionalities. Among the RRM functionalities, the resource allocation and the call admission control for WCDMA system are investigated in this thesis. We are interested in two special topics. First, dynamic resource allocation for TDD system is considered for two-cell and multi-cell models. Next, call admission control for real time multimedia service with variable bit rate is addressed.
First, dynamic resource allocation for WCDMA-TDD system is investigated with two-cell model. The objective of the dynamic resource allocation is twofold. First, we need to satisfy the traffic load in each cell. Secondly, in addition to the traffic load, extra capacity is considered to protect unexpected bearer services in each cell. The extra capacity is allocated in proportion to the required traffic load. The resource allocation is formulated as a mixed integer programming (MIP) problem. Since the MIP problem requires too much computational time, a dynamic resource allocation heuristic algorithm (DRAA) is proposed, which is based on the maximum capacity at each time slot depending on the type of slot in the two cells. Then, the performance of proposed DRAA is compared with the solutions by MIP problem which is solved by CPLEX optimization software.
Next, the resource allocation problem in WCDMA-TDD system is extended for multi-cell environment. The centralized resource allocation algorithm which is proposed in two-cell model is too complex to be employed in multi-cell environment. Thus, we propose distributed crossed slot resource allocation with zone division, where each cell is divided into two zones: inner zone and outer zone. The resource in a crossed slot is allocated only to mobiles within inner zone to reduce crossed slot inter-cell interference. Two conditions for crossed slot resource allocation are defined and the maximum size of inner zone is analyzed mathematically based on the conditions. The relationship between the capacity of crossed slot and the size of inner zone is also analyzed. Then, the numerical result of the mathematical analysis is presented.
Finally, a call admission control for real time video service with variable bit rate (VBR) is considered. In WCDMA system, one of the most prevailing services will be real time multimedia whose data rate changes dynamically. We consider multi-class real time services with VBR transmission. The behavior of each multimedia service is modeled as a Markov chain. Then, steady state probability for signal to interference ratio (SIR) of each service in a cell is obtained with the stochastic modeling. Admission probability of new and handoff calls is defined in each state, and blocking and outage probabilities are obtained as a function of admission probabilities. The objective of CAC is to minimize the blocking probability while guaranteeing the outage probability below QoS threshold. We propose two CAC schemes that effectively reflect characteristics of VBR multimedia services. Calls are admitted based on SIR of multimedia services. The fluctuation of SIR due to the change of data rate of each multimedia service is considered. Admission decision is made based on the prediction of future SIR rather than current value.
무선자원관리는 무선통신 시스템에서 제공되는 서비스의 서비스품질 (QoS)을 보장하기 위해 무선 자원을 효율적으로 이용하는 기법들을 일컫는다. 무선 자원의 희소성으로 인해 무선 이동통신 시스템에서 무선자원관리는 중요한 위치를 차지한다. 더구나, 대용량의 대역폭을 필요로 하는 무선 멀티미디어 서비스에 대한 수요가 급증함에 따라 제 3세대 이동통신에서의 무선자원관리는 더욱더 중요한 문제가 되었다.
제 3세대 이동통신 표준 중 전세계적으로 가장 널리 채택된 기술인 광대역 코드분할 다중접속 (WCDMA) 표준에서의 무선자원관리는 다음과 같은 기능을 포함하고 있다: 자원 할당, 호수락 제어, 핸드오버 제어, 전력 제어, 패킷 스케줄링. 본 논문에서는 이 중에서 자원 할당과 호수락 제어에 관한 두 가지 주제를 다룬다. 먼저, 제 2장과 3장에서는 시간분할 듀플렉스 (TDD) 시스템에서의 동적 자원할당 문제를 다룬다. 다음으로, 제 4장에서 가변 전송률을 가지는 실시간 멀티미디어 서비스에 대한 호수락 제어 문제를 다룬다.
제 2장에서는 2개의 셀 모형 하에 상향링크 (uplink)와 하향링크 (downlink) 간의 트래픽 불균형을 해결하기 위한 동적 자원할당 문제를 다룬다. 멀티미디어 서비스에서 상향 링크와 하향 링크 사이의 트래픽 불균형은 매우 중요한 문제이다. 이를 해결하기 위해 먼저 각 셀에서 각각의 시간슬롯 (timeslot)을 상향링크에 쓸지 하향링크에 쓸지 결정해야 한다. 그리고 각각의 시간슬롯의 용량을 결정해야 한다. 본 논문의 목적식은 두 단계로 나누어진다. 먼저, 각 셀의 트래픽 요구량을 만족시켜야 한다. 다음으로, 추가적인 용량을 각 셀의 트래픽 요구량에 비례하여 배분한다. 자원 할당 문제를 정수 계획법 (MIP) 문제로 정식화한다. MIP 문제는 계산 상에서 너무 많은 시간이 소요되기 때문에, 현실적으로 작동이 가능한 동적 자원 할당 휴리스틱을 추가적으로 제안한다. 이 휴리스틱은 각 시간슬롯에서의 최대 용량에 기반을 둔다. 제안된 휴리스틱의 성능은 CPLEX 최적화 소프트웨어에 의해 계산되는 MIP 문제의 해와 비교된다. 다양한 트래픽 상황에서의 성능 비교를 위해 세 가지의 트래픽 불균형 시나리오를 제안한다. 수치적인 비교 결과를 통해 제안된 휴리스틱이 두 셀 간의 상향링크/하향링크 트래픽 불균형이 다른 경우에 좋은 성능을 보임을 알 수 있다.
제 3장에서는 TDD 시스템에서의 동적 자원할당 문제를 다중 셀 환경으로 확장하고, 다중 셀 모형에 적합한 분산적 자원할당 방식을 제안한다. 제안된 방식은, 먼저 RNC가 각각의 시간슬롯을 상향링크에 쓸지, 하향링크에 쓸지 결정해서 각 셀에게 권장한다. 그러면 각 셀은 RNC의 권장 사항을 참고로 독립적으로 자원을 할당한다. RNC가 권장한 것과 반대되는 링크에 시간슬롯을 할당하는 경우, 이를 교차슬롯 (crossed slot)이라고 부른다. 교차슬롯에서는 셀 사이의 간섭 (inter-cell interference)을 줄이기 위해 전송 영역을 제한하는 영역분할 방식을 사용한다. 본 논문에서 제안하는 분산적 자원할당의 기본 원리는 자기 셀이 교차슬롯을 사용하는지의 여부를 다른 셀이 알 수 없도록 셀 간 간섭의 양을 규제하는 것이다. 이 원리를 실행하기 위해 두 가지 조건을 정의한다. 첫 번째 조건은 교차슬롯의 사용이 다른 셀에게 피해를 주면 안 된다는 것이다. 두 번째 조건은 교차슬롯을 사용할 때 다른 셀로부터 피해를 받으면 안 된다는 것이다. 영역분할 방식에서 이러한 두 조건을 충족시키기 위한 가장 중요한 변수는 안쪽 영역의 크기이다. 본 논문에서는 두 가지 조건을 만족하는 안쪽 영역의 최대 크기를 수학적 분석을 통해 구한다. 또한 교차슬롯의 용량과 교차슬롯에서의 안쪽 영역의 크기 간의 관계를 분석한다. 그리고, 이러한 수학적 분석의 결과를 수치적으로 보인다.
제 4장에서는 가변 전송률 (VBR)을 가지는 실시간 멀티미디어 서비스에 대한 호수락 제어를 다룬다. 다양한 종류의 실시간 VBR 서비스를 대상으로, 각각의 멀티미디어 호를 연속 마코브 과정으로 모형화한다. 그리고 이를 통해 시스템의 부하를 확률적 과정으로 표현한다. 시스템 부하의 각 상태에서의 수락 (admission) 확률을 정의한 후, 새로 발생한 호의 차단 (blocking) 확률과 기존 호의 아웃티지 (outage) 확률을 수락 확률의 함수로 나타낸다. 본 논문에서 호수락 제어의 목표는 아웃티지 확률을 정해진 QoS 기준에 만족시키면서 차단 확률을 최소화하는 것이다. 시스템 부하의 안정 상태 확률은 호수락 제어의 방침에 따라 달라진다. 본 논문에서는 가변전송률 서비스에 적합한 두 가지 호수락 제어 방식을 제안한다. 이 방식들은 전송률의 변화에 따른 시스템 부하의 변화를 예측하여 이를 호수락 제어에 반영한다. 제안된 방식들은 현재의 부하량에만 기반을 둔 방식과 비교된다. 수치 실험을 통해 제안된 방식들이 높은 시스템 부하에서도 목적식을 잘 만족함을 보인다.
