Recently, an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), which is a multi-user version of the OFDM digital modulation scheme, has emerged as one of the prime multiple access schemes for broadband wireless networks. OFDMA can overcome frequency-selective fading and the inter-symbol interference problem. Moreover, the adaptive subcarrier allocation allows OFDMA system to achieve higher spectral efficiency by multiuser diversity. Subcarrier and power allocation plays important role to enhance the system throughput and to maintain the QoS among the users.
This study mainly focuses on the radio resource allocation considering QoS for OFDMA-based wireless telecommunication systems. First, we study on satisfying actual client demand in OFDMA downlink system. Due to the limitations of wireless resources, some clients may not be able to obtain their desired throughput. To minimize conflicting client demands, we propose a goal programming technique which sets a goal for each client. As the goal is not a strict constraint, the system can allocate resources flexibly and generate feasible solutions consistently. In the proposed approach, we aim to minimize the weighted sum of client dissatisfaction and propose an efficient algorithm for real-time applications. The proposed algorithm can reduce the amount of dissatisfaction significantly, especially with a large number of users.
Then, we extend our scope to a cooperative OFDMA system. Cooperative system allows single-antenna users to transmit using the antennas of other users, so that the users form a virtual antennas array. By cooperative transmission, users experiencing deep fading can transmit in association with relays and get better channel gain. We aim to evaluate the performance of user-cooperative transmission in multiuser OFDMA systems while optimally allocating bandwidth and transmission power to each source/relay. We consider the problem of minimizing the total transmission power while satisfying each user’s throughput in user-cooperative OFDMA downlink systems. Because, the optimization problem is difficult to solve, the Lagrangean relaxation technique is used to obtain the bounds to which the optimal solution belongs. The resulting solution provides the limits of the performance improvement by applying user cooperation in an OFDMA system. The simulation results show that the total transmission power in a user-cooperative OFDMA system can be reduced to approximately 4% of that in a conventional OFDMA system with 20~25 active users.
We also propose a subcarrier and power allocation algorithm which maximizes system throughput while guaranteeing QoS requirement of users in a user-cooperative OFDMA uplink system. In the user-cooperative system, to optimize system performance is more complicated problem because the choices of sources and relays depend on the amount of their transmission power as well as on the inter-user channel conditions. To develop a heuristic algorithm suitable for implementation, we introduce the pseudo-channel gain which converts cooperative transmissions into direct transmissions to regard a cooperative OFDMA system as a conventional OFDMA system. Using the pseudo-channel gain, we propose a subcarrier and power allocation algorithm on the basis of a conventional OFDMA system. The proposed algorithm is computationally efficient, and performs well especially in QoS, and also in throughput when QoS constraints are loose.
무선 네트워크에서는 필요에 따라 링크의 용량을 쉽게 증가시킬 수 있는 유선 네트워크와 달리 한정된 주파수 자원을 효율적으로 관리하여 네트워크의 용량을 증가시켜야 하므로 무선자원의 효율적인 관리의 중요성이 더욱 크다. 기존의 CDMA, TDMA 방식의 낮은 주파수 효율을 증가시키기 위해, OFDMA 방식이 차세대 통신 시스템의 핵심 다중 사용자 접속 방식으로 주목받고 있다. OFDMA 방식은 사용자의 데이터를 다중 직교채널을 통해서 전송함으로써 고속 서비스의 가장 큰 장애요인 중 하나인 심볼 간 간섭 (Inter-symbol interference) 문제를 해결할 수 있으며 주파수 선택 페이딩(frequency-selective fading) 환경에 잘 대처할 수 있다. 또한 OFDMA 시스템에서는 부반송파의 채널 상황에 맞춰 변동적으로 전송 파워를 할당함으로써 기존의 CDMA, TDMA 방식에서 보여지던 시간 분배뿐만 아니라 주파수 할당에 의해서 추가적인 이득을 얻을 수 있다.
무선 자원 관리에 있어서 전체 시스템 용량의 최대화와 각 사용자 간의 공평성 보장은 매우 중요한 목표이다. 일반적으로 시스템의 용량 증가와 사용자 간의 공평성 보장은 Trade-off 관계가 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 OFDMA 기반 무선 통신시스템에서 이용자 간 QoS를 고려한 무선 자원 관리를 수행한다. 본 연구의 2장에서는 OFDMA 하향 링크 시스템에서 이용자들의 데이터 전송 요구 조건을 고려하였다. 이용자들 간의 데이터 요구 조건은 주어진 시스템 용량 하에서 상충 관계에 있다. 또한 이러한 요구 조건을 최적화 문제의 제약식으로 표현하였을 때 가용 자원의 한계로 인해 모두 만족시키는 것이 불가능한 경우가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 효과적으로 해결하기 위해 본 연구에서는 목표계획법(Goal programming)으로 문제를 표현하였다. 그리고 빠른 시간에 해를 찾기 위한 효율적인 알고리즘을 제안하였다.
나아가 본 연구에서는 OFDMA 방식에 협력 전송을 도입한 시스템에서의 무선 자원 관리에관해 다루었다. 협력전송 방식은 한 유저가 다른 장비 혹은 유저의 도움을 받아 협력적으로 전송하는 방식으로 링크의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 방식이다. 본 연구의 3장에서는 협력 전송을 도입한 OFDMA 하향 링크 시스템에서의 시스템 성능을 측정하였다. 협력 전송 기반 시스템에서는 시스템 성능 최대화보다는 QoS 보장 문제가 더욱 의미를 가진다. 본 연구에서는 이용자 간의 QoS를 고려하면서 기지국의 전력 소모를 최소화하기 위한 문제를 수립하고 이를 효과적으로 풀기 위해 라그랑지안 완화 기법을 이용하였다. 실험 결과 협력 전송을 도입하였을 때 기존의 OFDMA 시스템에 비해서 전력 소모를 매우 효과적으로 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
협력 전송 기반 OFDMA 시스템에서의 무선 자원 관리 문제는 기존 OFDMA 시스템에서의 문제보다 더욱 복잡하기 때문에 계산 과정이 복잡하며 빠르고 효율적인 알고리즘을 찾기 어렵다. 본 연구의 4장에서는 협력 전송 기반 OFDMA 상향 링크 시스템에서 이용자의 QoS를 보장하면서 시스템 성능을 향상시키기 위한 무선 자원 관리 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 빠른 계산속도를 가지며 QoS와 시스템 성능 양 쪽 측면에서 좋은 성능을 보여주었다.
