In this dissertation, we study on the efficient resource (bit/power/subcarrier) allocation for OFDM systems. To reduce the computational complexity of an allocation algorithm, we propose three new schemes; 1) Dimension reduction method, where group-based allocation algorithm is exploited, 2) Reduction of modulation modes, which is achieved by the strict mathematical modelling and proofs, and 3) Fast Lagrangian techniques, where the computational complexity is reduced in both the iterative optimal algorithm and the non-iterative suboptimal algorithm.
For the resource allocation, the channel information at receiver side is fed back to a transmitter with a certain time delay. The performance improvement by the resource allocation can be degraded due to this feedback delay and time-varying characteristics of wireless channel. Two different approaches are proposed to compensate the delayed channel feedback. The first approach is to obtain frequency diversity over selected multiple subbands. The proposed schemes have both benefits of diversity transmission and subband allocation. In the second approach, the probability that BER is over target BER is kept constant regardless of mobile speeds by controlling the transmission power. Total transmission power is minimized by efficiently allocating subbands to users.
직교 주파수 분할 다중 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식을 이용한 무선 통신에서 각 부반송파의 변조 방법과 전송 전력을 다르게 설정하여 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 다중 사용자를 위한 직교 주파수 분할 다중 접속 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 방식에서 채널 정보를 바탕으로 각 사용자에게 유리한 부반송파를 할당하여 전송 성능을 향상시킬 수 있다. 이와같이 자원(비트, 전력, 부반송파)을 통신 채널에 적합하도록 할당하여 성능을 향상하는 기법 즉, 자원 할당 기법을 연구하였다.
자원 할당 기법은 유선 환경의 다중 부반송파 통신을 중심으로 활발히 연구되어왔다. 그러나 유선 채널은 시간에 따라 거의 변하지 않는데에 반해 무선 채널은 시간에 따라 계속적으로 변화하기 때문에 자원 할당 정보가 동적으로 빠르게 채널에 적응되어야 한다. 본 논문에서 이러한 동적인 자원 할당을 위해 해결되어야하는 문제점을 다루었다.
먼저 자원 할당에 필요한 계산량을 줄이고자 하였다. 자원 할당 문제는 일종의 조건부 최적화 문제로 최적해를 찾기 위해 매우 높은 계산량을 요구한다. 따라서 채널 변화에 따라 할당 정보를 반복적으로 계산해야하는 무선 이동 통신 시스템에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 본 논문에서 계산량을 줄이기 위해 다음과 같은 세가지 방안을 제시하였다.
첫번째로 부반송파를 그룹으로 묶어서 최적화 문제의 차원을 줄이는 방법을 제시하였다. 성능 손실을 줄이기 위한 부반송파의 묶음 방법을 제안하였고, 모의 실험을 통해 적은 계산량으로 기존의 방법에 근접한 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 두번째로 사용 가능한 변조 방법의 개수를 줄여서 최적해의 검색 범위를 줄이는 방법을 제시하였다. 구조 진폭 변조(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)를 사용할 때 짝수에 해당하는 변조 방법 즉, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM 등만 사용하여도 성능이 전혀 손실되지 않는다는 것을 수학적으로 증명하였다. 세번째로 라그랑지 기법을 기반으로한 고속 할당 알고리즘을 제안하였다. 최적 할당 정보를 구하는 고속 반복적 방법과 부최적 할당 정보를 구하는 비반복적 방법이 함께 제안되었으며 모의 실험을 통해 성능이 검증되었다.
송신기는 자원 할당을 위해 필요한 채널 정보를 수신측으로부터 궤환받는다. 그러나 궤환하는 과정에서 시간이 지연되고, 채널 정보가 시간에 따라 계속적으로 변화하므로 송신기에서 현재 채널 정보를 정확히 알 수 없다는 문제가 발생한다. 이러한 지연된 채널 궤환은 동적 자원 할당을 위해 반드시 해결되어야하는 중요한 문제이다. 사용자의 속도가 빨라질 수록 즉, 채널이 더 빠르게 변화할 수록 송신기가 궤환받은 채널 정보가 불확실해지고, 그에 따라 성능이 저하된다. 채널 정보의 궤환에서 발생하는 시간 지연을 보상하기 위해 두 가지 방안을 제시하였다.
첫번째 방안은 여러개의 부대역으로부터 주파수 다이버시티를 얻어 채널 정보의 불확실성을 보상하는 방법이다. 먼저 각 사용자마다 두 개의 부대역을 할당하여 전송하는 방법을 제안하였다. 할당된 부대역 내에서의 반복 전송과 최대비 합성법을 이용하여 주파수 다이버시티를 획득하였다. 다음으로 각 사용자를 이동 속도에 따라 두 그룹으로 나누고, 서로 다른 방식으로 전송하는 방법을 제안하였다. 저속 사용자는 채널 정보가 비교적 정확하므로 자신에게 유리한 부대역을 할당받아 전송하고, 고속 사용자는 여러 부대역에 걸쳐 전송함으로써 주파수 다이버시티를 얻는 방법을 제안하였다.
두번째 방안은 사용자의 서비스품질을 보장하도록 사용자의 속도와 채널 정보를 기반으로 전송 전력을 할당하는 방법이다. 비트오차율이 목표 비트오차율보다 클 확률을 서비스품질의 척도로 정의하였고, 이 확률이 속도에 관계없이 항상 일정한 값을 유지하도록 부대역과 전송 전력을 각 사용자에게 할당하였다.
