Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) has been regarded as a very promising technique for high rate transmission. One of the major advantages of OFDMA is a capability to combat the inter-symbol interference. OFDMA has been also shown to be robust against frequency selective fading environment. And OFDMA exploits multiuser diversity in the frequency domain as well as user domain. Thus the radio resource management takes a more important role in OFDMA systems.
This study mainly focuses on the radio resource management for OFDMA uplink systems. First, we investigate the system throughput maximization problem. We propose an efficient subcarriers and power allocation algorithm based on Lagrangian relaxation procedure. A greedy algorithm known to be the most efficient algorithm for this problem can provide a high quality near-optimal solution, but has the disadvantage of incurring a long computation time. As this problem should be solved in a real-time environment, computation time is a very important performance measure of algorithms. In this study, a computationally efficient algorithm that provides a nearly identical quality, near-optimal solution as the greedy algorithm but requires less than 10% of the computation time of the greedy algorithm is proposed.
Then, we extend our throughput maximization problem to consider the fairness issue. In this study, to provide the minimum number of subcarriers to users is used for fairness criteria. We proposed a subcarriers and power allocation algorithm which assigns the required number of subcarriers to users. Proposed algorithm outperforms two-phase algorithm in the aspects of throughput and fairness.
We also proposed a subcarrier and power allocation algorithm which guarantees QoS requirement of users. In this study, the QoS requirement is defined as the minimum transmit rates of users. Computer simulations show that proposed algorithm provides better system throughput and fairness among users. In addition, proposed algorithm can find a feasible solution even if the QoS requirement is too strict to find a feasible solution by two-phase algorithm. We also proposed a practical resource allocation framework which maintains long-term average rate of users. Proposed framework can be operated even in the infeasible cases with small computational burden so that this framework can be used in real-time environment.
다양한 멀티미디어 서비스에 대한 사용자의 요구가 증가함에 따라, 무선 네트워크 상의 고속 데이터 전송의 필요성이 커지고 있다. 필요에 의해서 링크의 용량을 쉽게 증가시킬 수 있는 유선 네트워크와 달리, 무선 네트워크는 한정된 주파수를 효율적으로 관리하여 네트워크의 용량을 증가시켜야 하므로 무선자원의 효율적인 관리의 중요성이 더욱 크다. 기존의 CDMA, TDMA 방식의 낮은 주파수 효율을 증가시키기 위해, OFDM 방식이 각광받고 있다. OFDM 방식은 사용자의 데이터를 다중직교채널을 통해서 병렬로 전송한다. 이러한 전송 방식으로 인해 OFDM은 고속 서비스의 가장 큰 장애 요인 중 하나인 심볼 간 간섭 (ISI: Inter symbol interference) 문제를 해결할 수 있다. 또한 서로 다른 사용자에게 각각의 부반송파를 배타적으로 할당하는 OFDMA (OFDM-FDMA) 방식을 도입하여, 주파수 선택 페이딩 (Frequency selective fading) 환경에서 무선 자원 관리의 효율성을 높일 수 있다. 즉, 각각의 사용자에게 좋은 채널 상태에 있는 부반송파를 할당하여 시스템 전체의 성능이 증가되는 다중사용자 다이버시티를 얻을 수 있다. 또한 OFDMA는 좋은 채널 상태를 가지는 부반송파에만 전송 파워를 할당함으로써 파워 집중 이득을 얻을 수 있다. 이 파워 집중 이득은 상향 링크에서 더욱 크게 나타난다.
본 연구 2장에서는, 라그랑지 완화기법을 사용하여 OFDMA 시스템의 상향링크 용량을 최대화하기 위한 부반송파 및 전력 할당 방식을 제안한다. 기존에 제안된 Greedy 방식은 많은 계산량을 필요로 하여, 시간에 따라 변화하는 무선 환경에 적용되기 어려운 문제점이 있다. 제안하는 방식은 기존의 Greedy 방식의 최대 10%의 계산 시간으로 Greedy 방식과 비슷한 수준의 유사 최적해를 제공한다.
무선 자원 관리 기법에 있어서 시스템의 용량의 최대화와 더불어 각 사용자 간의 공평성의 보장 역시 중요한 문제이다. 일반적으로 시스템의 용량 증가와 사용자 간의 공평성의 보장은 Trade-off 관계가 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 사용자 간의 공평성 보장을 위해서, 각 사용자에게 최소한의 부반송파를 할당하는 방식을 제안한다. 각 사용자가 전송 전력 제약을 가지는 상향 링크에서는 각 사용자에게 최소한의 부반송파를 할당하는 것이 더욱 큰 의미를 가진다. 부반송파를 사용자에게 할당하였으나 전송 전력의 할당을 보장하지 못하는 하향 링크와는 달리, 상향 링크에서는 부반송파를 할당함으로써 사용자에게 최소한의 전송 기회를 보장할 수 있다. 본 연구 3장에서는 OFDMA 상향 링크에서 각 사용자에게 최소한의 QoS 수준을 만족시키면서 시스템 용량을 최대화하는 부반송파 및 전력 할당 방식을 제안한다. 제안한 방식은 2단계 방식과 비교하여, 시스템의 용량과 사용자 간의 공평성의 두 가지 측면에서 모두 뛰어난 성능을 보여준다.
서비스 수준(QoS)의 문제에서 사용자에게 최소 전송량을 보장하는 것은 중요한 이슈이다. 요금을 지불하는 사용자는 서비스 제공자로부터 일정한 수준의 전송량을 보장받기를 원하기 때문이다. 본 연구 4장에서는 각 사용자의 최소 전송량을 보장하면서, 시스템 용량을 최대화하는 문제를 다룬다. 또한, 라그랑지 완화 기법을 이용하여 효율적인 부반송파와 전송 파워 할당 방식을 제시한다. 제안하는 방식은 2단계 방식보다 더 많은 시스템 용량과 더 나은 공평성을 보여준다. 또한 2단계 방식이 해를 찾지 못하는 상황에서도 실행가능해를 찾아 낼 수 있다.
가변적인 무선 환경에서 항상 모든 사용자에게 최소 전송량을 보장한다는 것은 불가능하기 때문에, 본 연구 4장에서는 각 사용자에게 장기적인 관점에서 평균 전송량을 보장하면서 시스템 전체의 전송량을 최대화하기 위한 자원관리 프레임워크를 제안한다. 제안하는 프레임워크는 사용자의 채널 환경이 나빠서 최소 전송량을 보장받지 못하는 상황에서도 작동하며, 장기적 관점에서의 평균 전송량을 유지한다.
