Effective spectrum allocation schemes in wireless communication system such as CDMA systems are addressed in this work. Almost all the wireless networks have varying traffic pattern over temporal and regional load characteristics.
These time varying patterns are seen on most RANs, as a consequence of user behavior change depending on the time of day, and also the day of each week. Regional variations in the traffic are caused by the spatially unequal population density and variations in the activities of the population depending on the area e.g. business or recreation facility.
Using these temporally varying characteristics of traffic load, some practical dynamic spectrum allocation (DSA) algorithms are proposed to achieve high spectral efficiency: the ratio allocation based on the arrival rate and the power allocation based on the channel power in CDMA networks.
With fixed-assigned spectrum, the capacity of the system is reserved to handle the maximum traffic load with some level of assurance. However, most of the spectrum will be unused for long periods of time during the low load intervals.
A DSA algorithm shares spectrum between networks by allowing spectrum to be taken from one RAN and allocated to another at times when and where the load is low enough for certain spectrum not to be required. This work discusses the potential gains in spectrum efficiency to be made from using the DSA algorithms.
With this scheme, the spectrum to be dynamically allocated is treated as a single pool, and any operator can be assigned an arbitrary piece of spectrum anywhere in this pool. The traffic pattern plays a major part in the operation of an algorithm, it should be possible to predict with absolute accuracy through traffic statistics for long time. In this work, the DSA algorithm uses different time-varying traffic pattern which is based on the real CDMA traffic data from KTF in Korean CDMA operator.
We have presented the performance of the DSA algorithm based on the CDMA systems and shown it by the simulation to improve the overall capacity in each RAN. Separate performance simulations for the ratio and power allocations result in around 35% and 6% increases in spectrum efficiency over fixed spectrum allocation. These values are strongly dependent on the characteristics of traffic load, and therefore extensive investigations are made into the variation of the gain with traffic characteristics, like the correlation in time and between the RANs.
Finally, this work show that when appropriate schemes and strategies incorporated into the DSA algorithm, the frequency efficiency and system capacity can be further increased.
무선통신 시스템에서 주파수 자원의 효율적인 재사용을 위한 기술인 DSA는 현재 유럽을 중심으로 2000년 초기부터 DSA가 적용되어야 할 분야를 정립하는 연구가 진행중이며 DSA 구현을 위한 기술적 경제적 및 주파수 정책적인 분야의 분석을 통해서 다양한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
본 논문에서는 스펙트럼의 효율적인 사용을 위한 DSA 알고리즘을 제안하며 CDMA 기반 시스템 레벨 시뮬레이터를 이용하여 제안된 DSA 알고리즘의 성능을 검증하였다. 또한 우리나라 이동 통신의 FA 할당 현황을 알아보고 유럽에서 연구되고 있는 DSA 기술을 소개하였다.
먼저 국내 이동 통신사의 주파수 FA 할당 현황을 살펴보았고 이에 따른 주파수 활용상의 문제점을 지금까지와는 다른 시각에서 분석하였다. 사업자별, 지역별, 시간대별 트래픽 패턴에서 상당한 차이가 발생하므로 이에 따른 주파수 비효율성을 무선 구간의 주파수를 공유하는 방안을 찾는다면 유한한 주파수 자원의 효율을 증가시킬 수 있다. 이를 통해 향후 새로운 무선 통신 기술의 등장에 따른 Hardware, Software 개발의 적응력을 키우고 한정된 주파수 자원의 효율적인 사용에 관한 연구가 지속적으로 이루어지는데 도움이 되고자 한다.
유럽에서 진행되고 있는 DRiVE 프로젝트의 DSA에서는 거의 모든 무선 통신 시스템의 트래픽 부하 특성이 시간과 공간에 따라 다르게 발생한다는 것이 연구의 동기가 되었다. 시간 가변 측면을 이용하여 셀룰라 서비스인 UMTS와 방송 서비스인 DVB-T간에 시간 가변 트래픽 요구에 스펙트럼 할당을 효율적으로 하기 위하여 트래픽 부하 측정 및 예측 그리고 스팩트럼 계산과 스펙트럼 분할을 포함하는 일련의 연구 결과를 보여 주고 있다.
본 논문에서는 DSA를 위하여 두 가지 알고리즘이 제안되었다. 첫 번째는 두 사업자간에 나타나는 시간적으로 변화하는 트래픽 부하의 비를 이용하여 각 사업자에게 할당해 줄 FA의 수를 결정한다. 이는 간단하면서도 큰 DSA 이득을 얻을 수 있는 방법이며 통화중에 있는 소수의 가입자를 고려하지 않고 단지 비에 의해서 FA가 재할당 된다.
두 번째로는 CDMA 채널 파워를 이용하여 현재의 파워와 통화자의 수를 측정하고 다음 DSA 주기에 추가로 수용해야 하는 호 수를 계산하여 재할당 해줄 FA의 수를 계산한다. 여기서는 할당해 줄 FA에 남아있는 소수의 통화중인 가입자 까지도 고려하여 완전히 비어 있는 FA를 재할당 하므로 트래픽 비를 이용한 방법보다는 DSA 이득이 감소하는 것을 볼 수 있었다.
DSA 이득은 해당 RAN이든 사업자든 각 DSA 주체들의 트래픽 패턴에 의해서 크게 좌우된다. 따라서 두 사업자의 트래픽 패턴의 상관도에 따른 DSA 이득을 살펴보았다. 트래픽 패턴 상관 관계가 가장 적은 패턴들에서 가장 큰 이득을 보여주었다. 또한 DSA시간 주기를 변경하면서 DSA 이득의 변화를 고려하였다.
이와 같이 적당한 주파수 재할당 알고리즘과 파라미터 제어 방법을 사용하면 주파수 활용률과 시스템 용량의 증가를 가져올 수 있음을 알 수 있었다.
향후 연구과제로서 시간적으로 변화하는 트래픽 부하뿐만 아니라 지역적으로 변화하는 트래픽의 분포를 분석하여 보다 실제적인 트래픽 모델을 적용한 DSA 성능 분석이 이루어 져야 할 것이다.
