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Optimal subchannel and power allocation for OFDMA-based hybrid cellular/P2P system = OFDMA 기반 하이브리드 셀룰러/피투피 시스템의 최적의 자원 할당 기법
서명 / 저자 Optimal subchannel and power allocation for OFDMA-based hybrid cellular/P2P system = OFDMA 기반 하이브리드 셀룰러/피투피 시스템의 최적의 자원 할당 기법 / Seung-Eui Lee.
저자명 Lee, Seung-Eui ; 이승의
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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초록정보

For future wireless multimedia networks, the increases of coverage, capacity and reliability are required in the next-generation communication systems. In addition, the chronic underutilization of licensed spectrum is also pointed out. Recently, convergence technologies have been suggested to answer both challenging issues [1] [2]. Hence, we study the hybrid system that exploits peer-to-peer (P2P) aspect in OFDMA-based (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cellular system. With the hybrid system, beneficial performance gains can be achieved, and the spectrum underutilization can be improved by the spatial reuse. In this thesis, we focus on the multiuser spectrum sharing problem. With the aid of cellular base station (BS), P2P system can utilize licensed spectrum simultaneously. In this scenario, QoS (Quality of Service) of the cellular system should be guaranteed. To solve this problem, we formulate an optimization problem for the sum-rate maximization of the hybrid system, and analyze the problem by using mathematical tools. From analytical results, we propose heuristic algorithms to achieve sub-optimal solutions. First, we investigate enhanced water-filling algorithm (EWFA) considering remaining power reallocation. Second, we propose OTP-based (optimal transmission power obtained by EWFA) and IATP-based (interference allowable transmission power) subchannel allocation algorithms. Our key idea of the proposed subchannel allocation algorithms is the incorporation of transmission power into the subchannel allocation metric as a weighted factor. Then, we consider practical implementation issues, and evaluate the system performance in realistic simulation environments. We show that our heuristic algorithms achieve near-optimal performance with respect to the sum-rate capacity.

최근 무선 멀티미디어 서비스 시장의 급속한 성장으로 인해, 허가를 받은 주파수 자원의 만성적인 비활용 문제가 논의되고 있다. 특히 주파수 자원은 그 자체로서 귀중한 무형의 자원이기 때문에 다양한 멀티미디어 서비스의 제공을 위해서 무선 주파수의 효율적인 사용과 관리가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 현재까지 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 무선 주파수 자원의 효율적인 사용을 위하여 주파수 자원의 공간적 재사용은 가장 바람직한 방안으로 대두되고 있으며, 이를 위해 최근 셀룰러 시스템과 피투피 시스템의 융합을 통해 새로운 이종 시스템을 구성하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적인 기존의 셀룰러 시스템은 고정된 기지국과 움직이는 단말들이 혼재된 시스템으로서 단말들은 다른 단말들과의 통신을 위해 반드시 기지국을 거쳐야만 한다. 반면, 최근 다양한 서비스 제공 측면에서 주목 받고 있는 피투피 통신은 별도의 중앙 기지국의 도움 없이도 단말들 간에 자체적으로 통신이 가능한 기술이다. 다양한 서비스 시나리오의 제공과, 한정된 주파수 자원의 효율적인 재사용을 위해 본 논문에서는 셀룰러 시스템과 피투피 시스템이 혼합된 새로운 이종망에 대한 연구를 진행한다. 이종 시스템 환경에서 주파수 자원의 효율적인 재사용을 위해서 우리는 기존 셀룰러 시스템의 성능을 보장하는 범위 내에서 피투피 시스템의 통신이 가능한 경우를 고려하고자 한다. 즉, 효율적인 주파수 재사용과 기존 시스템의 성능 보호라는 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위해서, 본 논문에서는 기존 셀룰러 유저와 피투피 유저들 간의 공간적 자원 재사용을 고려한 최적의 자원할당 방안을 제안한다. 제안한 자원할당 방안은 부반송파 할당방안과, 할당된 부반송파에 대한 전송 전력 분배 방안으로 나뉜다. 기존에 연구되어왔던 자원할당 방안들과 다르게, 이 논문에서 고려하는 시스템의 경우 셀룰러 통신을 진행하는 기존의 사용자들의 허용 가능한 수신 신호의 레벨을 고려해야 한다. 이를 위해 우리는 기존 셀룰러 시스템이 허용할 수 있는 최대 간섭 범위를 정의한다. 따라서, 사전에 정의된 최대 간섭 치를 초과하지 않는 범위 내에서 피투피 통신이 이루어지면서, 전체 시스템 성능을 최대화 하기 위한 방안을 고려한다. 본 논문에서는 앞서 언급한 특성들을 모두 고려한 이종 시스템 융합 환경을 정수혼합 비선형계획법을 이용하여 모델링 하였다. 이 정수혼합 비선형계획법 문제를 직접 풀어서 최적 해를 얻는 것은 시간 복잡도 측면에서 불가능에 가깝기 때문에, 우리는 이 문제를 완화 시킨 후 MINOS라 불리는 전문 도구를 이용하여 최적 해의 상한값을 구한다. 더불어 이 문제를 수학적 도구들을 이용하여 분석한 후, 분석 결과를 활용하여 두 가지 휴리스틱 알고리즘들을 제안한다. 첫 번째 휴리스틱 알고리즘은 수학적 분석결과인 두 가지 필요 조건의 재귀특성을 활용하여 제안한다. 두 가지 필요조건 중 하나로부터 도출한 본 시스템의 최적 전송 전력 분배 알고리즘은 기존의 방식과 유사하게 워터필링 결과를 가중치로서 부반송파 할당 알고리즘에 적용한다. 두 번째 휴리스틱 알고리즘은 허용 가능한 최대 간섭량을 피투피 단말과 기존 시스템 간의 채널 정보를 이용하여 피투피 단말이 전송할 수 있는 최대 전송 전력을 가중치로서 활용하는 것이다. 첫 번째 휴리스틱 알고리즘 대비 두 번째 휴리스틱 알고리즘이 시간 복잡도 측면에서 경쟁력을 갖는다. 시뮬레이션 결과는 제안한 두 가지 휴리스틱 알고리즘의 경우가 기존의 채널 정보만을 이용하여 부반송파를 할당하는 기존 방식보다 높은 성능을 가지는 것을 보여준다. 워터필링 결과를 가중치로서 활용한 알고리즘이 높은 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있다. 또한 제안한 첫 번째 휴리스틱 알고리즘의 경우 최적 해와 97%에 가까운 성능을 보여주며, 두 번째 휴리스틱 알고리즘의 경우에도 작은 간섭 허용 범위를 가지는 시나리오에서는 최적 해와 95%에 가까운 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEE 09004
형태사항 vi, 44 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이승의
지도교수의 영문표기 : Dong-Ho Cho
지도교수의 한글표기 : 조동호
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학전공,
서지주기 References : p. 41-44
주제 Resource allocation;P2P;Spatial reuse;Spectrum sharing;OFDM
자원 할당;피투피;공간적 재사용;스펙트럼 공유;OFDM
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