Mobile WiMAX is a wireless communication system that enables the wireless broadband services based on the IEEE 801.16 standard. In the Mobile WiMAX system, link adaptation provides improved throughput to accommodate various user traffic, efficient resource allocation, etc in the base station.
In this paper, we propose a link adaptation algorithm for MIMO-based Mobile WiMAX Systems to enhance system throughput. The proposed algorithm consists of 4 steps. To adapt various channel conditions, we compute the MIMO gain by using eigenvalues of channel matrices. Based on the MIMO gain, we estimate the packet error rate and the throughput for all combinations of MIMO transmission modes and MCS levels considering the HARQ retransmission. Then we select a combination of an MCS level and a MIMO transmission mode which results in the best estimated throughput. The feedback data is sent in the first 3 symbols of a Fast Feedback Channel in the uplink to the base station.
To evaluate the performance of the proposed link adaptation algorithm, we developed a Mobile WiMAX PHY simulator and measured spectral efficiency for packet transmission. From the simulation result, we can analyze the performance of proposed algorithm and obtain the improved performance results for varying channel characteristics.
Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX)의 표준인 IEEE 802.16이 2004년 처음 발표되고 이후 이동성을 지원하기 위해 IEEE 802.16e 가 2005년 발표된 이후 수년간 WiMAX 의 중요성은 더욱더 부각되고 있다. Mobile WiMAX는 4세대 이동통신후보 기술인 Orthogonal Frequency Devision Multiple Access(OFDMA) 방식과 Multiple Input Multiple Output(MIMO)기술을 이미 채택하고 있기 때문에 차후의 이동통신 기술에 있어서도 중요한 지표가 되고 있다. 특히 Mobile WiMAX의 기술이 국제전기통신연합(ITU)의 표준으로 3세대의 국제 표준 중의 하나로 승인되면서 Mobile WiMAX의 기술의 중요성이 더욱더 커지고 있다.
본 연구는 Mobile WiMAX 시스템에서 채널 환경에 따라 MIMO 기술 및 Modulation and Coding Scheme(MCS) 수준의 적응, 그리고 precoding 등을 통한 throughput 향상을 목표로 하고 있다. 일반적인 상황에서 사용자는 한정된 자원을 사용하기 때문에 사용자에게 있어서 얼마나 데이터 전송을 효율적으로 할 수 있는지는 매우 중요한 문제이다. 한정된 자원을 가지고 얼마나 고속의 데이터 전송을 할 수 있는지 예측하고 이에 따라 링크에 가능한 효율적으로 적응할수록 수신기의 전력 소모를 줄일 수 있고 아울러 사용자로 하여금 만족도를 높일 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라 고속 데이터 통신은 한 사용자에게 할당 되는 전송 시간을 줄일 수 있기 때문에 송신단 측에 있어서 자원할당을 효율적으로 할 수 있는 기회를 만들어준다. 그 만큼 링크 적응의 중요성은 높다고 할 수 있다.
Mobile WiMAX 시스템에서의 링크 적응 알고리즘은 여러 가지 자원의 측면에서 이루어질 수 있다. Boosting을 이용한 파워 적응 방식, spatial multiplexing(SM), space time block code(STBC)과 MIMO precoding 등 다양한 MIMO 전송 방식에 따른 전송 방식 적응 알고리즘, modulation order 및 부호화율에 따른 적응 방식 등 다양한 적응 방식이 존재한다. 각각의 링크 적응 방식은 링크 적응 목적에 따라 다르게 적용될 수 있다. Throughput 향상이 주된 목표인 경우 채널 환경이 좋을 때 spatial multiplexing을 이용한 전송 방식이나 또는 높은 수준의 modulation order 및 부호화율을 사용할 수 있다. 반면에 요구 throughput이 어느 정도 보장이 될 때 전송 오류율을 낮추기 위하여 STBC 전송 방식을 사용하거나 혹은 낮은 부호화율 및 modulation order를 사용하여 정보를 보호할 수 있다. MCS 수준 및 MIMO 전송 방식 이외에도 Band AMC 기술을 이용하여 사용자에게 효율적인 band를 선정하여 자원을 할당하는 링크 적응 방식도 선택할 수 있다. 이외에도 Hybrid Automatic Retransmission reQuest (HARQ) 모드의 선택 등을 유연하게 이용함으로써 각 목적에 맞는 링크 적응이 가능하다. 뿐만 아니라 cross layer 관점에서 볼 때 각 사용자간 데이터 흐름을 분석하고 자원을 할당하는 방법도 고려할 수 있다.
본 연구에서는 Mobile WiMAX 시스템을 대상으로 하고 있으며 MIMO 채널 환경에서 throughput 향상을 위하여 modulation order 및 부호화율 적응, HARQ, 오류 정정 부호 등을 고려한 링크 적응 알고리즘을 제시하고자 한다. 다중 안테나 환경을 기반으로 하는 Mobile WiMAX 단말기에서 채널을 측정하여 각 전송 방식에서의 throughput을 예측함으로써 효율적인 전송 방식을 찾을 수 있고 이를 선택하여 적용함으로서 throughput 향상을 목표로 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같은 형식으로 이루어져 있다. Chapter 2에서는 Mobile WiMAX의 PHY 계층에서 사용되는 MIMO 전송 기술, MCS 수준, HARQ 등에 대하여 소개한다. Chapter 3에서는 기존의 링크 적응 방식에 대해 소개하고 본 연구에서 제시하는 throughput 예측 알고리즘 및 링크 적응 알고리즘에 대해 기술한다. Chapter 4에서는 본 연구를 위한 MIMO 환경에서의 채널 환경과 이에 대한 결과 및 분석을 기술한다. 마지막 Chapter 5에서는 제시된 알고리즘과 시뮬레이션에 대한 결론을 제시하며 아울러 본 연구에 대한 가치와 본 연구와 관련된 차후 연구에 대하여 토의하고자 한다.
