Wireless communications have become one of key technologies in modern society. Many users demand wireless services equivalent to high-speed wireline services provided at home. In order to fulfill this demand, future wireless communication systems will require to guarantee quality of service (QoS) requirement, system capacity enhancement, and efficient spectrum utilization. Since radio resources for wireless communications are very limited, various wireless transmission schemes to guarantee various QoS requirements should share the limited radio resources. In order to enhance the spectrum efficiency, radio resources should be allocated dynamically according to varying transmission characteristics and users` channel states. Future mobile communication systems are also expected to improve the system performance and spectrum utilization efficiency through a new cognitive radio technology.
In this dissertation, we first consider a wireless communication system supporting both multicast and unicast services. We provide a mathematical analysis framework for evaluating unicast and multicast transmission schemes. The unicast transmission scheme makes full use of channel variation of each user, while the multicast transmission scheme utilizes multicasting within a communication range. Our analysis shows that cell radius and the number of users in a cell affect the performance of the unicast and multicast transmission schemes. Delay-tolerant and large-sized packet services are proper for the unicast transmission, while delay-sensitive and small-sized packet services are appropriate for the multicast transmission. We also propose a novel adaptive scheduling scheme for mixed multicast and unicast traffic in cellular systems in order to utilize radio resources more efficiently and compare the system performance of the proposed scheme with that of the conventional scheme. In order to transmit data to a wireless user group more efficiently, the system needs to select a transmission scheme adaptively between the multicast and unicast transmission schemes according to varying current channel conditions with SNR threshold values.
Second, we extend a mixed service environment to an underlay cognitive radio environment. In the underlay system, restricted transmit power level causes a system performance degradation. We propose two dynamic spectrum allocation schemes for mixed multicast and unicast services in the underlay system and analyze the performance of the underlay system in terms of system capacity and outage probability for varying interference temperature levels. Then, the performance of the underlay system with multiple secondary receivers is asymptotically analyzed using the extreme value theory (EVT). Our research results show the proposed dynamic spectrum allocation scheme significantly improves the system performance of the multicast service, compared to that of the conventional static spectrum allocation in the underlay system. It is expected that the proposed schemes can be applied to the multicast service in the underlay system.
Third, we consider underlay and overlay cognitive radio systems supporting both single user- and group-based transmission schemes. The system performance for multicast traffic was compared for varying transmission schemes in varying cognitive radio environments. For a high channel gain region, the group-based transmission scheme is more efficient than the single user-based transmission scheme and vice versa. In the single user-based transmission, the equal time-based scheme shows better delay performance than the equal block-based transmission scheme due to a multiuser diversity gain. These results give an insight on the multicast traffic transmission in various cognitive radio environments. Since the secondary system has a lower priority than the primary system, the system operator needs to determine an appropriate transmission scheme under a given spectrum regulation.
현대 사회에서 무선 통신 기술은 생활의 필수 요소로 자리잡았다. 사람들은 다양한 무선 데이터 서비스를 요구하고, 각 서비스의 특성에 따라 여러 종류의 무선 전송 기법들이 제안되었다. 미래 무선 통신 시스템에서 보다 많은 사용자들의 무선 데이터 서비스 요구를 수용하기 위해서 서비스 품질의 보장, 시스템 용량 증대, 효율적인 주파수 자원 활용 등이 필요하다. 특히, 하나의 시스템이 다양한 전송 기법을 지원하는 경우, 한정된 주파수 자원 내에서 적응적으로 전송 기법을 선택함으로써, 무선 시스템의 용량을 증대시키고, 주파수 자원의 전송 효율성을 개선시킬 수 있다. 새롭게 등장한 무선 인지 전송 기술(Cognitive Radio)은 기존에 주파수를 선점한 무선 통신 시스템에게 간섭을 주지 않으면서도 동시에 동일한 주파수 대역을 다수의 시스템이 활용함으로써 주파수 효율과 활용도를 향상시킬 수 있는 가능성을 보여준다.
본 학위 논문에서는 유니캐스트 / 멀티캐스트 전송 기법을 지원하기 위한 적응적 무선 자원 할당 방안을 다양한 무선 통신 환경에서 제안했다.
첫 번째로, 멀티캐스트(Multicast)와 유니캐스트(Unicast) 서비스를 지원하는 무선 통신 시스템에 대하여 수학적 모델링을 통해 시스템 성능을 분석하고, 적응적인 자원 할당 방식에 대하여 제안했다. 또한, 멀티캐스트 전송과 유니캐스트 전송의 성능을 시스템 내 사용자 수와 셀 크기의 변화를 통해 분석했다. 무선 채널 환경이 좋은 경우는 멀티캐스트 전송의 용량이 유니캐스트 전송의 용량에 비해 시스템 용량에서 장점을 갖는다. 반면에, 무선 채널 환경이 나빠지게 되면, 가장 열악한 채널 환경 사용자에게 데이터 전송률을 맞추는 멀티캐스트 전송은 성능이 급격히 감쇠된다. 이러한 상황을 개선하기 위해, 적응적인 자원 할당 방식을 제안했고, 이를 통해 기존 고정 자원 할당 방식에 비하여 멀티캐스트 서비스의 성능이 향상되는 것을 확인했다.
두 번째로, 무선 인지 전송 환경에서 멀티캐스트와 유니캐스트 서비스가 혼재된 상황을 고려했다. 기존 시스템이 받는 간섭량을 제한하기 위해 전송 전력 세기를 조절하는 언더레이(Underlay) 무선 인지 시스템의 성능을 개선시키기 위한 방안을 제안했다. 언더레이 시스템에서 멀티캐스트와 유니캐스트 전송의 성능을 수학적으로 분석했고, 제안된 적응적인 자원 할당을 통해 멀티캐스트 서비스의 성능이 향상되는 것을 확인했다.
마지막으로, 언더레이 및 오버레이(Overlay) 무선 인지 시스템에서 멀티캐스트 트래픽에 대하여 단일 사용자 전송과 그룹 사용자 전송의 지연 성능을 수학적으로 분석, 비교하였다. 특히 단일 사용자 전송의 경우, 동일 데이터 크기 전송 기법과 동일 시간 전송 기법을 비교한 결과, 동일 시간 전송 기법이 다중 사용자 다이버시티 이득을 통해 지연 시간을 훨씬 줄일 수 있음을 확인했다. 무선 채널 환경이 좋은 경우, 그룹 사용자 전송이 단일 사용자 전송보다 효율적이었다. 무선 채널 환경이 열악한 경우, 단일 사용자 전송을 통해 다중 사용자 다이버시티 이득을 취하는 것이 그룹 사용자 전송보다 효율적이었다. 또한, 언더레이 시스템의 허용 간섭량, 평균 채널 이득에 따른 성능 변화를 오버레이 시스템의 액세스 확률과 평균 채널 이득에 따른 성능 변화와 비교를 했고, 이를 통해 무선 인지 시스템의 성능을 평가할 수 있었다.
