Demanding for data services becomes one of the main motivations for developing future wireless communications system. In order to fulfill these requirements, future wireless communication systems have been focused on increasing maximum system throughput and spectral efficiency under a constraint of limited radio resources and supporting variable bit rates and quality of service. As a result, orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) systems have been proposed as a primary solution for future wireless communication systems. Even though the OFDMA systems are efficient to transmit high-bit-rate data services, they are inefficient to transmit low- and medium-bit-rate data services such as voice over Internet Protocol (VoIP) because of their overwhelming overhead for resource allocation. Therefore, an efficient resource allocation scheme is required to support low- and medium-bit-rate data services.
In this dissertation, we propose a new resource allocation scheme which can support low-data-rate services including VoIP service more effectively for future wireless communication systems. We first propose an orthogonal resource block hopping multiplexing (ORBHM) scheme which can reduce the signaling overhead for resource allocation. 2G wireless communication systems do not need to transmit the resource allocation information dynamically during the conversation period because a fixed resource is pre-allocated to a user at the call setup period. As a result, the overhead required for resource allocation can be minimized. The proposed ORBHM scheme combines the advantage of the fixed resource allocation scheme of the 2G wireless communication systems and dynamic resource management schemes of the future wireless communication systems. It can reduce the overhead for the resource allocation because it can give the resource allocation information during the call setup, as done in the 2G wireless communication systems. Furthermore, it can achieve a statistical multiplexing gain and high spectral efficiency because resource is dynamically utilized, as done in 4G wireless communication systems.
Second, the proposed ORBHM scheme can be applied to uplink data transmission in the Mobile WiMAX system which is one of the promising 4G wireless communication systems. The Mobile WiMAX system uses MAP messages to indicate the allocated resource information for data transmission. However, these MAP messages are the overhead of the resource allocation and degrade the system performance. Therefore, it is required to reduce the size of MAP message as small as possible. The proposed ORBHM scheme can reduce the size of MAP message by using a modified MAP format. Here, we derived the packet drop probability as assuming that VoIP traffics are applied. Moreover, we derived the mean size of MAP message for resource allocation. The results are compared with those of conventional dynamic resource allocation scheme and persistent resource allocation scheme. It shows that the ORBHM scheme reduces the size of MAP message dramatically compared to the dynamic resource allocation scheme as maintaining the system capacity of the ORBHM scheme similar with the dynamic resource allocation scheme. When the ORBHM scheme is compared with the PRA scheme, the size of MAP message of the ORBHM scheme is considerably larger than that of the persistent resource allocation scheme. However, the packet drop probability is better than that of the persistent resource allocation scheme because of the statistical multiplexing gain. As a result, the system capacity of the ORBHM scheme increase 36\% compared to that of the persistent resource allocation scheme.
Third, the proposed ORBHM scheme is applied to downlink data transmission in the Mobile WiMAX system. Here, we model the proposed ORBHM scheme by using a queuing system in an HARQ retransmission environment and derive the distribution of packet delay, the mean size of the MAP messages, and the user capacity of the system when VoIP traffic is applied. The analytical result showed that the proposed ORBHM scheme yields 15 - 28% increase in user capacity and 26 - 69% decrease in the size of DL-MAP IE, compared to the dynamic resource allocation scheme and that the user capacity of the proposed ORBHM scheme is slightly better than that of the PRA scheme for accommodating VoIP traffic. However, the mean packet delay is much smaller than that of the persistent resource allocation scheme.
처음 전화통화를 위하여 무선통신 기술이 사용된 이후 무선 통신 기술의 급속한 발전이 이루어지고 있다. 특히 요즈음에는 다양한 무선 데이터통신 서비스에 대한 요구가 많아지고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위하여 미래 무선 통신망은 제한된 무선자원의 사용 효율을 증가시키면서 시스템의 성능을 증대시키고, 다양한 데이터 통신 서비스를 수용하면서 통신 품질을 보장하여 주는 방향으로 발전하고 있다. 따라서 직교주파수분할다중화(OFDMA)를 이용한 무선 시스템이 이러한 요구사항을 수용할 수 있는 주요한 해결방안의 하나로서 제안되어 왔다. 하지만 직교주파수분할다중화 방식은 고속데이터통신에 있어서는 효율적으로 대응할 수 있으나 음성통신과 같은 저속 또는 중속 데이터통신 서비스를 하는데 있어서는 자원할당과 관련된 상당한 양의 제어신호 때문에 비효율적일 수 있다. 직교주파수분할다중화 방식은 자원을 여러 사용자가 공유하고 사용자가 필요로 할 때만 자원을 할당해주는 자원할당 기법을 사용하게 되는데, 이러한 자원할당 기법은 자원을 효율적으로 사용하게 만드는 반면에 자원을 누가 사용하여야 하는 지를 알려주기 위한 제어신호를 추가적으로 필요로 한다. 이러한 제어신호의 양은 사용자가 낮은 속도의 데이터 서비스를 요구하는 경우에는 상당히 많아 질 수 있어 시스템의 성능을 떨어뜨리는 요소로 작용할 수 있는 것이다.
본 학위논문에서는 미래통신시스템에서 음성통신을 포함하여 저속 데이터 서비스를 지원할 수 있는 새로운 자원할당기법인 직교자원블록 호핑을 이용한 다중화 기법을 제안한다. 2세대 통신망에서는 자원할당이 초기 접속을 시작하는 시점에 이루어지고 끝날 때까지 동일한 자원을 사용하기 때문에 매번 자원할당 정보를 보낼 필요가 없어 자원할당과 관련된 제어신호를 최소화할 수 있었다. 본 학위논문에서 제안하는 직교자원블록 호핑을 이용한 다중화 기법은 2세대 무선통신망에서 사용한 고정 자원할당 방식의 장점과 미래 무선통신망의 동적 자원할당 방식의 장점을 조합하였다. 제안하는 다중화 기법은 2세대 무선통신망과 마찬가지로 자원할당에 대한 정보가 초기 접속 시간에 미리 정하여 진다. 하지만 고정된 자원을 항상 사용하는 것이 아니라 보낼 데이터가 있을 경우에만 할당된 자원을 사용하게 되고, 또한 자원을 다수의 사용자가 공유할 수 있게 하고, 채널의 상태에 적응한 코딩 기법을 사용함으로써 무선 자원의 사용 효율을 증가시키도록 하였다.
제안된 직교자원블록 호핑을 이용한 다중화 기법의 성능을 확인하기 위하여 4세대 무선통신시스템의 하나로 각광받고 있는 와이맥스 시스템의 상향 음성 데이터 통신에 적용하였다. 와이맥스 시스템은 자원 할당 정보를 알려주기 위하여 맵(MAP) 메시지를 사용하는 데, 맵 메시지가 클수록 시스템의 성능을 감쇄시키게 된다. 따라서 멥 메시지의 크기를 줄일 필요가 있다. 제안한 다중화 기법을 와이맥스 시스템에 사용하기 위하여 본 학위논문에서 맵 메시지 형식을 또한 제안하였다. 성능을 위한 지표로는 패킷 손실률을 사용하였으며 음성패킷이 0.002초마다 하나씩 들어오는 것을 가정하면서 제안한 다중화 기법을 사용하였을 경우의 패킷 손실률을 분석하였다. 분석 결과는 기존의 와이맥스 시스템에서 사용하고 있는 동적 자원할당 방식과 지속 자원할당(persistent resource allocation) 방식과 비교하였다. 제안된 직교자원블록 호핑을 이용한 다중화 기법은 동적 자원할당 방식과 비슷한 시스템 성능을 보이면서 맵 메시지의 크기는 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. 그리고 지속 자원할당방식과 비교하였을 경우에는 맵 메시지의 크기가 크긴 하지만 패킷 손실률은 훨씬 좋아서 시스템 성능을 36\%정도 증가시킴을 확인할 수 있었다.
제안된 직교자원블록 호핑을 이용한 다중화 기법을 와이맥스 시스템의 하향 음성 통신에 적용하였다. 여기서 재전송이 있는 대기행렬 모델을 이용하여 시스템의 패킷 지연시간 분포, 맵 메시지의 크기, 시스템 성능등을 분석하였다. 그 결과 동적 자원할당 방식에 비하여 15 - 28%의 성능 향상과 26 - 69% 정도 맴 메시지의 크기를 줄이는 것을 확인하였다. 그리고 지속 자원할당 방식과 비교하면, 맵 메시지의 크기에 약간의 개선이 있음을 확인하였고, 또한 패킷 지연 시간은 많이 작음을 확인할 수 있었다.