The worldwide of broadband users is trying to find how we share information, conduct business, and seek entertainment. Thus, broadband access aims to not only provide faster Web surfing and quicker file download but also enable voice telephony using Voice over Internet Protocol (VoIP) and several types of multimedia applications, such as real-time audio, video streaming, multimedia conference, and interactive gaming. In particular, more advanced broadband access systems, such as Fiber-To-The-Home (FTTH) and Very high data rate Digital Subscriber Loop (VDSL), enable such applications as entertainment-quality video, including High-Definition TV (HDTV) and Video on Demand (VoD). Due to these various applications and user requirements, the broadband market continues to grow rapidly and several types of new applications emerge.
Broadband wireless is for bringing the broadband experiences to a wireless context, which provide benefits and convenience to movable users. There are two fundamentally different types for broadband wireless services: (i) Fixed wireless broadband, which attempts to provide a set of services by applying broadband characteristics as a competitive alternative to DSL or cable modem. And, (ii) mobile broadband, which offers the additional functionality of portability, mobility (the ability to keep ongoing connections active while moving at vehicular speeds), and nomadicity (the ability to connect to the network from different locations via different Base Stations (BSs). Specifically, mobile broadband attempts to bring broadband applications to new user experience scenarios, and thus can provide the end user with a different value of proposition. WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave access) technology, the IEEE 802.16 standard, is designed to accommodate both fixed and mobile broadband applications.
Mobile WiMAX network has the broadband capability, IP-based frame work, and the mobility feature. The broadband capability can support the high data rate for downloading/uploading multimedia services and the convergence of multiple services. Also, the IP-based framework makes Mobile WiMAX compatible with the Internet world and yields a simple network architecture to support a diverse set of services. In addition, the mobility nature enables mobile Internet services by satisfying the desire for unlimited and unrestricted communications of customers.
In order to support the aforementioned attributes of Mobile WiMAX network, it is imperative to study guidelines for efficient management which can achieve a target performance and to utilize the deployed systems for guaranteeing its initial performance under a variety of network environments. To resolve this issue, this thesis focuses on how to efficiently manage mobile WiMAX systems in terms of mobile device, system, and network perspectives. Particularly, efficient power management for mobile devices based upon Power-Saving Mechanism (PSM) and mobility management for enhanced systems based upon fast handover are intensively studied.
First, this thesis studies enhancement of PSM, which is one of the most important factors to support portability and mobility. In particular, this can be achieved by controlling energy consumption of an MS and the response delay of awakening Medium Access Control (MAC) Service Data Units (SDUs) with manipulated operating parameters (e.g., the minimum sleep interval ($T_{min}$) and the maximum sleep interval ($T_{max}$) in consideration of an unpredictable environment (the sleep duration from the beginning time of sleep-mode that of wake-mode). To begin with, a decision making process of considering trade-off relationship between energy consumption and the response delay is proposed for achieving the target performance and efficient power management. Also, a method of manipulating the operating parameters is proposed in consideration of the remaining energy state of an MS. In addition, taking into consideration operational efficiency to reflect both the sleep duration and the remaining energy state of an MS at the same time, an enhanced PSM is studied. Finally, for the case where there are multiple connections for support several types of applications, a scheduled PSM is studied.
Second, fast handover process, which can one of the most important factors to support seamless services, is studied. Basically, the handover delay spent in the service flows running at an MS has a negative impact on delay-sensitive application, especially multicast streaming services. To resolve this issue, an enhanced handover mechanism is proposed to reduce the handover delay by reducing scanning time to find candidates to be the target BS and multicast update time with the information of neighbor BSs.
As an appendix, the integration of EPON and WiMAX is one of a promising solutions for broadband access services, but there is still controversial discussion on enhancement of both sides, wireless and optical. Thus, as a near or mid term solution, cell planning of an integration architecture based upon BS cooperative transmission is proposed for wireless transmission and cost efficiency. The main advantage of this integration architecture is the reduction of deployment cost with a similar level of wireless transmission performance. In addition, an actual application of this integration architecture can be highlighted by a case study in consideration of the viewpoint of network operators.
The studies revealed in this thesis can be expected to be applicable to researchers and vendors who design and develop mobile devices with efficient power management. Also, it is expected that efficient management guidelines and system design can be supplied for achieving the target performance under limited environments of mobile WiMAX systems. Finally, proposed mechanisms, related algorithms, proposed architectures introduced in this thesis are expected to be utilized by network operators who develop and operate cost-efficient and revenue generating network infrastructures for broadband access services.
광대역 사용자들은 어떻게 정보를 공유하고 업무를 수행하며 즐길 거리를 찾을지를 고민하고 있다. 그래서, 광대역은 보다 빠른 웹서핑과 파일 다운로드 뿐만 아니라 VoIP(Voice over IP)를 사용하는 음성 전화와 실시간 오디오, 비디오 스트리밍, 멀티미디어 회의, 쌍방향 게임 등의 다양한 타입의 멀티미디어 애플리케이션을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 특히, Fiber-To-The-Home(FTTH)와 very high data rate digital subscriber loop(VDSL)와 같은 진보된 광대역 액세스 시스템들은 HDTV와 VoD와 같은 애플리케이션을 가능하게 해준다. 전술된 다양한 애플리케이션들과 사용자들의 요구로 인해 광대역 시장은 급격하게 성장 중이며 여러 타입의 새로운 애플리케이션들이 생기고 있다.
광대역 무선은 광대역의 특성을 이동하는 사용자의 편의를 제공할 수 있는 무선 측면으로 가져오는 것을 목적으로 한다. 광대역 무선 서비스에는 대표적으로 두 개의 다른 타입이 있다. 첫째, 기존의 DSL과 케이블 모뎀의 경쟁적 대안으로써 무선을 활용하여 일련의 서비스를 제공하려는 고정형 무선 광대역이 있다. 둘째, 휴대성, 서비스 연결의 연속성을 유지하는 이동성, 그리고 다른 기지국을 통하여 여러 위치에서도 네트워크에 연결을 할 수 있는 유목민성 등을 제공하는 모바일 광대역이 있다. 특히, 모바일 광대역은 새로운 사용자들의 경험 시나리오에 광대역 애플리케이션을 제공하는 것을 목적으로 하기 때문에 다양한 가치를 사용자들에게 제공할 수 있다. IEEE 802.16 표준인 와이맥스 기술은 이 두 가지 고정형 무선 광대역과 모바일 광대역 애플리케이션들을 수용하도록 설계되어 있다.
모바일 와이맥스 네트워크는 광대역 특성, IP 기반의 프레임워크, 이동성 특성을 가지고 있다. 광대역 특성은 멀티미디어 서비스와 다수의 통합 서비스들을 다운로드/업로드를 위한 높은 데이터 전송률을 지원할 수 있다. 또한, IP 기반의 프레임워크는 모바일 와이맥스가 인터넷 세계에서 경쟁력 있게 만들고 다양한 서비스를 지원할 수 있는 간단한 네트워크 구조를 만들어 낼 수 있다. 게다가, 이동성은 사용자들의 제한되지 않은 통신에 대한 욕구를 만족시킴으로써 모바일 인터넷 서비스들이 가능하게 한다.
전술된 모바일 와이맥스 네트워크 특성을 지원하기 위하여 목표 성능치를 얻을 수 있는 효율적 운영을 위한 지침을 연구하고, 다양한 네트워크 환경 하에서 초기 성능을 보장하기 위한 배치된 시스템을 활용할 필요가 있다. 이런 이슈를 해결하기 위하여, 본 연구는 이동 단말기와 시스템 관점 하에서 어떻게 모바일 와이맥스 시스템을 운영할 지에 대해서 초점을 둔다. 특히, 절전 메커니즘 기반의 이동 단말기의 효율적 파워 관리와 빠른 핸드오버 기반의 향상된 시스템의 이동성 관리를 연구한다.
첫째, 본 논문은 모바일 와이맥스 시스템의 이동 단말기에 휴대성과 이동성을 제공하기 위하여 가장 중요한 요소 중에 하나인 절전 메커니즘의 향상에 대하여 연구하였다. 특히, 이는 이동 단말기의 잔여 에너지양과 예상할 수 없는 외부적 환경 요소 (슬립모드 시작 시간부터 웨이크모드 시작 시간까지의 슬립 기간)를 고려하여 산정된 동작 파라미터에 의해서 이동 단말기의 에너지 소비량과 단말기의 응답 지연을 효과적으로 제어함으로써 얻어진다. 먼저, 목표 성능을 실현하고 효과적인 전력 관리를 위하여 에너지 소비량과 응답 지연 간의 트레이드오프 관계를 고려한 파라미터 결정 프로세서를 제안하였다. 또한, 이동 단말기의 잔여 에너지양에 따라 이동 단말기의 절전 효과와 응답 지연을 제어하는 방법론을 제안하였다. 게다가, 슬립 기간과 이동 단말기의 잔여 에너지양을 동시에 반영하여 동작 파라미터의 크기를 산정하여 동작 효율성을 고려한 향상된 절전 메커니즘을 제안하였다. 최종적으로, 다수의 컨넥션이 존재하는 상황을 고려한 스케줄된 절전 메커니즘을 제안하였다.
둘째, 시스템에서 지속적인 서비스를 제공하기 위하여 가장 중요한 요소들 중에 하나인 빠른 핸드오버가 연구되었다. 기본적으로 핸드오버로 인해 발생하는 지연은 지연에 민감한 애플리케이션, 특히 실시간 멀티캐스트 스트리밍 서비스들에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이를 해결하기 위하여, 이웃 기지국의 정보를 활용하여 타겟 기지국으로 선정될 후보자들을 찾는 스캐닝 시간과 멀티캐스트 정보 업데이트 시간을 감소시켜, 이동 단말기에 동작 중인 서비스 플로우들의 핸드오버 지연이 감소 향상된 핸드오버 메커니즘이 제안되었다.
본 논문의 연구는 전력 효율적인 모바일 와이맥스 이동 단말기를 설계하고 개발하는 연구자들과 벤더들에게 참고로써 사용되어질 것으로 기대된다. 또한, 모바일 와이맥스 시스템의 제한된 환경 하에서 다양한 성능 요구를 만족시키기 위한 효율적 운영 및 시스템의 설계/관리의 가이드라인이 될 수 있다. 최종적으로, 제안된 메커니즘과 관련된 알고리즘, 제안된 구조들은 광대역 액세스 서비스를 위한 비용 효율적으로 수익을 창출할 수 있는 네트워크 기반을 개발하는 네트워크 관리자들에 의해 활용되어질 수 있을 것이다.
