With the development of advanced wireless communication technologies, the demand for high throughputs and quality of service (QoS) guarantees has been explosively increasing in modern wireless networks. However, available radio resources are scarce and limited. To efficiently utilize the available radio resources and provide high throughputs and QoS guarantees, in this dissertation, we consider adaptive transmission, opportunistic scheduling and admission control.
Different from wired channel, wireless channel is time-varying (i.e., fading). To increase spectral efficiency of the time-varying wireless channel, adaptive transmission operates at the PHY layer of a wireless network and adapts constellation sizes and/or coding rates to the time-varying wireless channel. Due to the time-varying nature of the wireless channel, different users in a wireless network experience peaks in their channel quality at different times, from which multiuser diversity comes. Opportunistic scheduling exploits multiuser diversity by allocating the shared wireless medium to only the user with the best channel condition at each time, and can maximize the total information-theoretic capacity of a wireless network.
The capacity advantage of opportunistic scheduling can be obtained at the penalty of the following two problems. The first problem is related with the fairness: opportunistic scheduling can cause unfair scheduling by letting users with the strongest channel conditions in average monopolize the shared wireless medium. The second problem is related with the channel state information acquisition: opportunistic scheduling necessitates the instantaneous channel qualities of all users, which are estimated by each user and then fed back to the scheduler. Hence, as the number of users increases, the feedback load becomes significant, and feedback bandwidth expended by the non-scheduled users gets wasted. Therefore, there is a strong motivation for the design of opportunistic scheduling schemes that exploit multiuser diversity with limited feedback. In addition, such opportunistic scheduling schemes should be carefully designed to provide high throughputs and QoS guarantees, and to maintain fairness among users with heterogeneous channel conditions.
In Chapter 2, we consider an M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM) adaptive transmission scheme combined with multiuser diversity over Nakagami-m fading channels. Assuming that delayed signal-to-noise ratio (SNR) feedback is available, we derive closed-form formulas for the average transmission rate and the average bit error rate, and investigate the impact of feedback delay on system performance.
In Chapter 3, we propose an opportunistic scheduling scheme that guarantees throughput requirements of all users with threshold-based limited feedback. In our proposed scheme, different threshold values are assigned to different users so that throughput requirements are satisfied for all users even though they are heterogeneous. In our analysis, we derive a formula to check the feasibility of given throughput requirements, and optimize the threshold values to maximize the system throughput while guaranteeing the throughput requirements.
In Chapter 4, we improve our proposed scheduling scheme in Chapter 3 to maintain fairness among users with heterogeneous channel conditions. In addition, to provide throughput guarantees in case of dynamic user population, where users enter or leave the network over time, we also propose an admission control scheme that decides whether an incoming user can be accepted or not.
In Chapter 5, we consider an opportunistic scheduling scheme that exploits multiuser diversity with threshold-based one-bit feedback. We analyze the impact of the threshold value on the PHY layer performance, the long-term and short-term fairness, and the MAC layer performance. In addition, we optimize the threshold value based on a cross-layer approach by considering both the traffic condition at the MAC layer and the wireless channel correlation at the PHY layer. Numerical results show that the use of the optimized threshold value can significantly reduce the average packet delay and the packet loss probability.
In Chapter 6, we propose a new cross-layer adaptive transmission scheme, called the queue length aware (QLA) adaptive transmission scheme, that considers the joint effect of the queuing at the MAC layer and the fading channel at the PHY layer. Numerical results show that our QLA adaptive transmission scheme can significantly reduce the wasted service capacity of the fading channel, which results from the lack of packets at the MAC layer.
최근 무선 통신 기술이 발달함에 따라 높은 전송률과 서비스 품질 보장에 대한 요구가 급속히 증가하고 있다. 따라서 한정된 무선 주파수 자원을 효율적으로 사용하여 통신망 내 각 사용자에게 높은 전송률과 서비스 품질 보장을 제공하는 문제는 무선 통신망의 설계에 있어 매우 중요한 이슈로 부각되고 있다. 이러한 문제에 대한 해결 방안으로써 본 논문에서는 적응적 전송(adaptive transmission), 기회적 스케줄링(opportunistic scheduling), 그리고 수락 제어(admission control)를 고려하였다. 이러한 기술은 무선 통신 시스템의 용량(capacity)을 극대화 하는 방안으로 각광받고 있으며, HSDPA, HSUPA, Mobile WiMAX 등의 무선 셀룰러 시스템에서 채택되고 있다.
유선 통신망과 비교하여 무선 통신망을 구분 짓는 가장 큰 특성중의 하나는, 무선 채널의 상태가 사용자 이동성 및 다중경로 전송 등으로 인하여 시간에 따라 변한다는 것이다. 적응적 전송은 무선 채널의 상태에 맞추어 변조 및 코딩기법을 달리 함으로써 시변하는 채널의 용량을 증가시킬 수 있다. 일례로 M-QAM(M-ary quadrature amplitude modulation) 이나 AMC(adaptive modulation and coding)와 같은 적응적 전송 기술들이 무선 통신망의 물리 계층에서 널리 사용되고 있다.
위에서 언급한 채널 변화 현상은 무선 통신망 내 각 사용자마다 일반적으로 독립적으로 발생한다. 따라서 각 사용자는 같은 시간에 서로 다른 무선 채널 환경에 처하게 되며, 이로부터 다중 사용자 다이버시티(multiuser diversity)가 발생한다. 기회적 스케줄링은 다중 사용자 다이버시티를 활용한 스케줄링 방식으로써 매 순간 최적의 무선 채널 환경에 처한 사용자에게 채널을 할당한다. 일례로 MaxSNR 방식은 매 순간 가장 큰 신호 대 잡음비(SNR, signal-to-noise ratio)를 갖는 사용자에게 채널을 할당한다. 상기 스케줄링 방식은 무선 통신망의 용량을 극대화 할 수 있음이 잘 알려져 있다.
적응적 전송 및 기회적 스케줄링을 통한 통신망 용량 극대화는 다음과 같은 두 가지 한계점을 수반한다. 첫 번째, 기지국에 가까이 위치한 사용자들과 같이 평균적으로 수신신호의 세기가 큰 환경에 처한 사용자들이 무선 채널을 독점하는 공평성(fairness)의 문제가 있다. 두 번째 문제는 적응적 전송 및 기회적 스케줄링이 통신망 내 사용자들의 실시간 채널 상태 정보를 요구하는데서 기인한다. 이러한 채널 상태 정보는 사용자단에서 측정하여 적응적 전송 및 기회적 스케줄링이 위치한 기지국에게 전송(되돌림, feedback)된다. 따라서 사용자가 증가할수록 되돌림으로 인한 부하가 증가하게 되며, 채널을 할당받지 못한 사용자들이 되돌림에 사용한 전력이나 대역폭등의 무선 자원은 낭비되게 된다. 또한, 되돌림 과정에서 발생한 지연은 시스템의 성능을 저하시키게 된다.
이러한 한계점들을 보완하기 위해, 본 논문에서는 문턱 값(threshold)을 사용한 제한된 되돌림 기법들을 제안하였다. 즉, 채널 상태가 문턱 값을 넘는 사용자만이 채널 상태 정보를 기지국에 전송하도록 하였다. 기회적 스케줄링은 이러한 사용자 중에 한 사용자를 선택하여 채널을 할당 한다. 되돌림 조건에 사용된 문턱 값들은 통신망 내 개별 사용자의 서비스 품질 요구사항을 보장하면서 시스템의 전송률을 최대화 하도록 최적화 하였으며, 사용자간의 공평성을 유지하도록 설계되었다. 또한 본 논문에서는 되돌림 과정에서 발생한 지연이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 통신망의 물리 계층(PHY layer) 뿐 아니라 대기 열(queue)이 위치한 매체접근제어 계층(MAC layer)의 상태 정보를 연동한 cross-layer 설계를 통해 통신망의 성능을 향상시키고 서비스 품질을 높일 수 있다. 본 논문에서는, cross-layer 기법을 통해 문턱 값을 최적화 하였으며 대기열의 상태 정보를 반영한 QLA(queue length aware) 적응적 전송 기법을 제안하였다.
본 논문 2장에서는 M-QAM 과 다중 사용자 다이버시티를 사용하는 무선 통신망에서 되돌림 지연이 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 성능 평가 척도로써 평균전송률과 평균 비트 오류율(BER, bit error rate)을 고려하였다.
본 논문 3장에서는 무선 통신망 내 각 사용자의 서비스 품질을 보장하기 위한 기회적 스케줄링 알고리즘을 제안하였다. 서비스 품질로써 수율(throughput) 보장을 고려하였다. 제안된 스케줄링 알고리즘은 되돌림으로부터 발생하는 부하문제를 해결하기 위해 문턱 값을 사용하여 되돌림에 제한을 두었다. 사용자마다 서로 다른 수율 보장을 요구하는 경우를 반영하기 위해 서로 다른 문턱 값을 사용하였으며, 모든 사용자의 수율을 보장하면서 시스템의 수율을 최대화 하도록 문턱 값들을 최적화하였다.
본 논문 4장에서는 3장에서 제안한 기회적인 스케줄링 알고리즘을 개선하여 사용자간의 공평성을 유지하도록 설계하였다. 즉, 평균 신호 대 잡음비로 정상화된(normalized) 문턱 값들을 되돌림 조건에 사용하여 서로 다른 채널 환경에 처한 사용자들의 불공평성 문제를 보완하였다. 또한, 서비스를 마친 사용자의 시스템 이탈과 서비스를 필요로 하는 사용자의 시스템 도착으로 인해 사용자 수가 시간에 따라 변하는 시스템에서, 서비스 품질 보장을 위한 수락 제어 방안을 제안하였다.
본 논문 5장에서는 채널상태가 문턱 값을 넘는 사용자만이 오직 한 비트 정보만을 기지국에 전송하며, 이러한 사용자 중에 임의의 한 사용자에게 채널을 할당 하는 기회적 스케줄링 알고리즘을 고려하였다. 서비스 품질로써 패킷 분실 확률 및 평균 패킷 지연시간을 고려하였고, 이들을 최소화 하도록 문턱 값을 최적화 하였다. 이때, 물리 계층에서의 채널 상관성(correlation)과 매체접근제어 계층에서의 패킷 도착 율을 동시에 고려한 cross-layer 기법을 통해 문턱 값을 최적화 하였다.
본 논문 6장에서는 QLA 적응적 전송 기법을 제안하였다. 제안된 QLA 적응적 전송 기법은 패킷의 부재로부터 발생하는 채널 용량 낭비를 줄이기 위해, 물리 계층의 채널 상태와 매체접근제어 계층에서의 대기 열 상태를 동시에 고려한 cross-layer 방식으로 설계되었다. 이론적 분석과 실험을 통하여, 제안된 QLA 적응적 전송 기법은 패킷의 부재로부터 발생하는 채널 용량 낭비를 줄일 수 있음을 검증하였다.
본 연구에서는 한정된 무선 자원을 보다 효율적으로 사용하여 통신망 내 각 사용자에게 높은 전송률과 서비스 품질을 보장하기 위한 물리-매체접근제어 계층 간의 연동을 고려하고 분석하였다. 본 연구에서 제안한 알고리즘은 최근 무선 통신망에서 급격히 도입되고 있는 적응적 전송 기법 및 선택적 스케줄링 개발에 있어 중요한 지표가 될 것으로 기대한다.
