Our previously proposed orthogonal code/resource hopping multiplexing(OCHM/ORHM) schemes were designed to accommodate a large number of bursty downlink users. Symbol-by-symbol random code and resource hopping of the OCHM/ORHM schemes cause symbol code-/resource-collisions. Symbol perforations occurring when all code-/resource-collision symbol values are not identical degrade channel decoding performance, which may undergo link quality degradation (an increase in the required $E_b/I_o$ for a given frame error rate (FER) condition). Transmission signal beamforming is expected to significantly reduce the symbol perforation probability because of its spatial filtering capability. The typical smart antenna systems for transmission signal beamforming are switched-beam array antennas (SBAAs) providing geographical fixed beams and adaptive array antennas (AAAs) providing dynamic per-user beam.
The introduction of SBAAs to downlink OCHM leads to the reduction of the user symbol perforation probability due to the spatial codeword reusability obtained from multiple narrow beams. In order to remove user symbol perforations for low number of user channels, the random group-wise hopping pattern allocation (RGHPA) scheme is proposed. Users in a beam obtain their own hopping patterns from one or more collision-free group (CFG) in which a user hopping pattern is orthogonal for other hopping patterns within the same group and is random for hopping patterns in different group(s). The number of CFGs within a beam varies according to the number of required downlink user channels in a beam. Therefore, symbol collisions and its symbol perforations almost don’t occur when the number of required user channels is lower than the number of available orthogonal codewords. Since SBAAs intentionally overlap the neighboring beams, a beam is subdivided into two overlapping beam areas (OBAs) and a non-overlapping area (NOBA). A user in an OBA receives the signals from two neighboring beams, and thus, the symbol perforation probability for users in OBAs is higher than that for users in NOBAs. Inter-beam softer handoff is proposed to mitigate the effect of high symbol perforation probability. If a symbol of a user in an OBA is perforated on only one softer handoff channel, the user can receive the symbol through another softer handoff channel. The performance of the proposed ideas in OCHM using SBAAs is evaluated by theoretical analysis and simulation in terms of the average symbol perforation probability.
AAAs which consist of dynamic narrow user beams can significantly reduce the user symbol perforation probability of OCHM due to the spatial filtering capability of user beamforming. Since a user beam adaptively directs the user location according to user mobility, a reference is needed to apply the RGHPA scheme. For OCHM using AAAs, the angle-of-arrival (AoA)-based groupwise hopping pattern allocation (AGHPA) scheme is proposed to maintain symbol perforation-free for low number of the user channels. A cell is logically subdivided into a given number of the AoA-based hopping pattern groups (AHPGs) which mean the ranges of user AoAs. Users with the AoAs within an AHPG use the codeword hopping patterns from one or more CFGs belonging to the AHPG. An adaptive group-width control (AGWC) method is proposed to maintain a uniform user symbol perforation probability for non-uniform user distribution. The number of users within each AHPG becomes almost identical by periodically changing the angle-width of each AHPG. The performance of the proposed ideas is evaluated by theoretical analysis and simulation in terms of the symbol perforation probability.
For OCHM-SBAA and -AAA systems, the channel-limited capacity based on the symbol perforation probability constraint and the power-limited capacity based on a threshold value of the maximum base station transmission power are numerically evaluated by theoretical analysis and simulation. For a given system requirements, the overall user channel capacity becomes a minimum value between the channel-limited capacity and the power-limited capacity.
As an application type of ORHM on orthogonal frequency division multiple access, the random orthogonal frequency hopping multiple access (R-OFHMA) is introduced. For R-OFHMA using SBAAs and AAAs, first, the symbol collision and its perforation and synergy probabilities are theoretically analyzed. Since the amount of the co-channel interference (CCI) for a given number of user channels is the major capacity constraint on the OFDM downlink and the base station transmission power is generally not power-controlled, the CCI-limited capacity is defined as a maximum number of user channels in a cell satisfying that the received $E_b/I_o$ for the worst position user is lower than a given requirement value. For a given number of user channels in a cell, the received $E_b/I_o$ and $E_b/I_o$ are theoretically derived for a worst position user on R-OFHMA using omni-directional antenna, SBAAs, and AAAs. The overall user channel capacity of R-OFHMA using SBAAs and AAAs is evaluated as a minimum value of the channel-limited capacity based on the symbol perforation probability constraint and the CCI-limited capacity based on the received $E_b/I_o$ requirement of the worst position user.
직교 부호 및 자원 도약 다중화 방식들은 순방향 링크에서 간헐적 트래픽 특성을 가지는 많은 사용자 채널들을 수용하기 위하여 제안되었다. 그러나 각 사용자별 독립적인 심볼단위의 랜덤 도약은 심볼 충돌에 의한 천공을 유발하게 되어 순방향 링크 품질을 열화시키게 된다. 주어진 셀내 사용자 채널 수에 대하여 상기 링크 품질 열화를 완화하기 위하여 빔 형성 기법을 사용하는 스마트 안테나 시스템을 직교 부호 및 도약 다중화 방식들에 적용하는 것을 제안한다.
빔 형성 기법을 사용하는 스마트 안테나 시스템의 간단한 형태로서의 빔-교환 배열 안테나를 직교 부호 도약 다중화 방식에 적용하는 경우에 대하여 기본적인 심볼 단위의 사용자 채널별 독립적인 도약 패턴을 사용하는 상황의 심볼 천공 확률을 해석적으로 유도하였다. 그리고 임의의 빔 영역 내의 이웃한 빔과의 중첩 영역에서의 심볼 천공 확률의 증가를 완화하기 위하여 빔간 소프터 핸드오프를 제안하고 이에 대한 유효 심볼 천공 확률을 해석적으로 분석하였다. 사용자 채널 수가 사용 가능한 직교 부호열보다 작은 낮은 사용자 채널 부하 상황에서의 심볼 천공 확률을 제거하거나 현격하게 낮추기 위하여 랜덤 그룹단위 도약 패턴 할당 기법을 제안하고 이에 대한 심볼 천공 확률을 해석적으로 유도하였다. 성능 평가를 통하여 우선 시뮬레이션을 이용해 상기의 심볼 천공 확률의 해석적 유도들을 검증하고, 빔간 중첩 영역에서 빔간 소프터 핸드오프를 적용 시에 유효 심볼 천공 확률이 크게 완화됨을, 그리고 랜덤 그룹단위 도약 패턴 할당기법 적용 시에 빔 영역 내 비중첩 영역에서 낮은 사용자 채널 수에 대하여 심볼 천공 확률이 제거되고 중첩 영역에서 현저히 낮은 심볼 천공 확률을 제공함을 확인하였다.
사용자별 위치 및 이동에 따른 최적 빔을 제공하는 적응형 배열 안테나를 직교 부호 도약 다중화 방식에 적용하는 경우에 대하여 기본적인 도약 패턴 사용 시의 심볼 천공 확률을 해석적으로 유도하였다. 낮은 사용자 채널 부하에 대하여 심볼 천공을 배제하기 위하여 사용자 도착각 기반의 논리적인 그룹인 사용자 도착각 그룹을 설정하고, 각 그룹별로 도착각 기반 랜덤 그룹단위 도약 패턴 할당 기법을 제안하고 이에 대한 심볼 천공 확률을 해석적으로 유도하였다. 도착각 기반 랜덤 그룹단위 도약 패턴 할당 기법을 사용하는 경우의 셀 내 사용자 위치 분포가 비 균일한 상황에 대하여 각 사용자의 심볼 천공 확률을 균일하게 유지하게 하는 사용자 도착각 그룹들에 대한 적응형 그룹 너비 제어 기법을 제안하였다. 임의의 주기적인 시각마다 셀 내의 사용자 도착각 정보를 수집하고 이를 기반하여 기 정의된 사용자 도착각 그룹의 각 너비를 그룹내 사용자 수가 균일하도록 변경하는 기법이다. 해석적 분석과 시뮬레이션을 이용한 성능 평가를 통하여 도착각 기반 랜덤 그룹단위 도약 패턴 할당 기법이 낮은 사용자 채널 환경에서 거의 심볼 천공을 발생시키지 않음을 확인하였고 적응형 그룹 너비 제어 기법을 통해 비균일 사용자 위치 분포에 대하여 매우 균일한 사용자별 심볼 천공 확률을 제공함을 확인하였다.
상기의 빔-교환 배열 안테나와 적응형 배열 안테나를 직교 도약 다중화 방식에 적용하는 상황에서의 전반적인 사용자 채널 용량을 심볼 천공 확률의 제한에 기반한 채널 제한적 용량과 기지국 총 전송 파워 제한값에 기반한 파워 제한적 용량의 최소값으로서 정의하고 주어진 시스템 요구조건 예에서 상기 각 용량들을 해석적 분석과 시뮬레이션을 통하여 구한다. 본 과정을 통하여 직교 부호 도약 다중화 방식에 대한 빔-교환 배열 안테나와 적응형 배열 안테나의 적용과 각 제안 기법들이 전반적 사용자 채널 용량을 크게 증가시킴을 확인하였다.
직교 주파수 분할 다중 접속 방식에 대한 직교 자원 도약 다중화 기법의 주파수 도약을 적용한 시스템으로서 랜덤 직교 주파수 도약 다중 접속 방식을 제시하였다. 상기 시스템에 빔-교환 배열 안테나와 적응형 배열 안테나를 적용하는 경우의 심볼 충돌 확률 및 이에 기반한 심볼 천공 및 심볼 합 확률들을 해석적으로 유도하였다. 직교 주파수 분할 및 도약 다중 접속 방식에서 셀간 동일 채널 간섭 제한적 채널 용량은 주변 셀로부터의 간섭량이 임의의 셀 내의 최악 위치 사용자의 수신 비트 에너지 대 간섭 및 잡음 에너지 비를 낯추어 최저 수신 비트 대 간섭 및 잡은 에너지 비 요구값에 도달하는 최대 사용자 채널 수로 정의한다. 랜덤 직교 주파수 도약 다중 접속 방식에서의 주변 셀 동일 채널 간섭을 해석적으로 유도하고 이를 기반으로 셀 내 최악 위치 사용자의 수신 비트 에너지 대 간섭 및 잡음 에너지 비를 셀 내 사용자 채널 수의 함수로서 유도하였다. 이를 기반으로 주어진 시스템 요구 예에서의 주변 셀 동일 채널 간섭 제한적 용량을 구하고 상기 심볼 천공 확률 분석을 토대로 주어진 천공 확률 제한 값에 대한 채널 제한적 용량을 구한다. 이를 기반으로 교환-빔 배열 안테나 및 적응형 배열 안테나를 사용하는 랜덤 직교 주파수 도약 다중 접속 방식의 전반적 사용자 채널 용량을 구하고 이를 기반으로 빔 형성 기법을 사용하는 스마트 안테나 시스템이 랜덤 직교 주파수 도약 다중화 방식의 사용자 채널 용량을 크게 향상시킴을 확인하였다.
