In this thesis, we consider various types of cross-layer resource allocation problems in the context of long-term network utility maximization. This utility-based cross-layer radio resource management we are touching on covers from single-hop single-carrier systems up to multi-hop multi-carrier systems. In Chapter 2, we consider single-hop single-carrier systems and propose a combined scheduling and call admission control algorithm that exactly guarantees the minimum throughput requirements of CBR (constant bit rate) and EMG (elastic with minimum guarantee) users, and then allocates the leftover capacity to EMG users in proportional fair manner. We also show that by establishing priority relationship in the scheduling, the proposed scheduling algorithm can be naturally used for measurement-based call admission control, which does not adversely affect ongoing calls.
In Chapter 3, we propose a joint subcarrier and power allocation achieving asymptotic network utility maximization (NUM). Using the proposed algorithm, we revisit equal power allocation and show that the equal power allocation, which is known to be near optimal to sum capacity maximization problem in high SNR regime, can produce significantly wrong answer to general NUM problem with various SNR distributions. In particular, equal power allocation shows poor performance under the resource sharing policy which strongly emphasizes fairness like max-min.
Our focus moves onto the cross-layer design in multi-hop wireless networks. In Chapter 4, we consider achieving long-term NUM in multi-hop wireless networks. To this end, we develop a joint flow control and resource allocation algorithm for a priori fixed routing path. This does not impose any specific physical layer model so that it is general enough to be applied to any model. Further, we propose an iterative method that computes scheduling decision in multi-hop single-carrier networks. We show that the proposed method attains an optimal solution in most of cases.
Chapter 5 considers solving weighted sum rate maximization problem multi-hop multi-carrier networks. The problem is especially important in cross-layer control as it appears in any cross-layer design. The problem is represented in mixed integer nonlinear programming (MINLP) which is NP-hard in general. We suggest a modification of this problem into a tractable form, and propose an iterative method solving this problem. All these algorithms are shown to work as designed.
현재의 무선망은 크게 두 가지 변화를 겪고 있다. 하나는 높은 전송율과 품질 보장에 대한 요구가 증가하면서 OFDM이나 MIMO 기술들이 도입되고 있는 것이고, 다른 하나는 커버리지 증대를 위해 다중홉 셀룰러 망이나 무선 메쉬망이 대두되고 있는 것이다. 이러한 변화는 자원의 차원을 증가시켜서 자원할당의 자유도를 높여 전송율 증가나 커버리지 증대를 얻을 수 있다는 데 기반하고 있다. 따라서 무선망이 이러한 변화를 겪을수록 우리가 동시에 제어해야할 자원의 수는 점점 늘어나게 되고, 결국 계층간 최적화나 병합 최적화 기법들이 중요한 역할을 할 것이다. 본 연구에서는 단일홉/단일반송파 무선 셀룰러 시스템에서부터 다중홉/다중반송파 시스템 등을 고려한 여러 가지 효용기반 계층간 자원제어 기법 또는 병합 최적화 기법들을 제안한다.
첫 번째, 최소 평균 데이터 전송율이 정확하게 보장되길 원하는 CBR 사용자와 최소 평균 데이터 전송율 보장을 요구할 뿐만 아니라 가능하면 더 받길 원하는 EMG 사용자가 공존하는 단일반송파 무선 셀룰러 시스템에서 사용자들의 최소 보장을 만족시키기 위한 스케쥴링 및 호수락 제어 기법을 제안하였다. 이를 위해 새로운 효용함수를 제안하고, 미분기반 스케쥴러를 이용해 수렴성과 다음과 같은 여러 가지 좋은 특성을 분석하였다. 첫째, 제안하는 스케쥴링 기법은 CBR 사용자와 EMG 사용자의 최소 보장량을 만족시킨 뒤 남은 용량을 EMG 사용자에게 비례 공평성을 만족시키며 나누어 줄 수 있다. 또한, 제안하는 스케쥴링 기법은 여러 가지 다른 품질 보장을 요구하는 사용자들에게 우선권에 따라 순서대로 최소 보장량을 만족시킴으로써 차등 서비스를 제공할 수 있다. 이와 같은 스케쥴러의 우선순위에 기반하여 개발한 측정기반의 호수락 제어 기법은 기존에 존재하는 사용자들의 최소 성능을 해치지 않으면서 새로 들어오는 사용자의 수용 가능성 여부를 테스트할 수 있는 좋은 특성을 지닌다. 이러한 특성을 실험과 분석을 통해 검증하였다.
두 번째, 다중반송파 무선 셀룰러 시스템에서 장기 망효용 최대화를 달성하기 위해 매 타임슬롯 풀어야하는 부반송파 및 전송전력 할당문제를 세우고, 최적해를 찾는 알고리듬을 제안하였다. 또한, 최적 알고리듬에 비해 훨씬 간단한 부최적 알고리듬을 개발하였다. 제안한 알고리듬을 이용하여 아주 간결하면서 좋은 성능을 얻는다고 믿어지는 균등전력할당의 성능을 검증해 보았다. 결론적으로, 일반적인 장기 망효용 최대화문제에서는 균등전력할당이 심각한 성능저하를 낼 수 있다는 것을 보여줌으로써 주파수 선택적 전력할당의 필요성을 제기한다. 특히, 이 성능저하 문제는 공평성을 강조하는 자원분배정책을 사용할 때 더 심하게 겪게 된다. 이 모든 것을 충분한 실험을 통해 확인할 수 있었다.
세 번째, 다중홉 무선망에서 장기 망효용 최대화를 달성하기 위한 흐름제어 및 분산 스케쥴링 방법을 제안하였다. 본 연구에서는 특정자원 모델을 가정하지 않고 아주 일반적인 가정하에 여러 가지 다양한 자원모델에서 생길 수 있는 문제를 일반화 하며, 기존의 복잡한 흐름별 큐잉 대신에 간단한 링크별 큐잉을 가정하고 있다. 제안한 알고리듬이 망의 안정성을 보장하면서 최적 효용을 달성한다는 것을 이론적으로 보여주었다. 또한, 부최적 자원할당 방법이 사용되면 가용영역 (capacity region)이 줄어든다는 것을 보여주고, 피드백 지연이 존재하면 성능이 저하된다는 것을 이론과 실험을 통해서 보여주었다. 이와 더불어 단일 반송파를 사용하는 다중홉 무선망에서 최적의 스케쥴링을 계산하는 방법을 제안하고 이 방법이 대부분의 경우에 최적의 스케쥴링 결정을 찾아낸다는 것을 실험을 통해 검증하였다.
네 번째, 무선망의 계층간 최적화 기법 중에 가장 중요한 부분인 가중 전송율 합을 최대화하는 문제를 다중홉 다중 부반송파 무선망에서 세워보고 이것을 풀기 위한 전송전력 및 부반송파 할당 기법을 제안하였다. 문제의 어려움을 해결하기 위해 기존의 것들과는 다른 새로운 목적 함수를 정의하고 그 문제의 최적해를 찾는 전송전력 및 부반송파 할당 기법을 개발하였고. 제안한 알고리듬은 거의 모든 경우에 최적해를 잘 찾아낸다는 것을 볼 수 있었다.
본 연구의 결과에서 제안하는 최적화 기법들은 최근 들어 급격하게 도입되고 있는 OFDM, MIMO 등 다양한 자원이 동시에 존재하는 무선망에서 일어날 수 있는 여러 가지 핵심적인 자원할당 문제를 해결하는 데 있어 중요한 지표가 될 것이다.
