The scheduling problem in wireless networks should consider both the performance requirements and the wireless channel characteristics. Since the performance requirements for the various types of connections are different, the classical scheduling scheme should be modified. Furthermore, the scheduler should compensate the performance degradation due to the different wireless channel characteristics of each connection. Note that the performance of scheduling in the wireless networks can be increased with consideration of multiuser diversity. Also, a new scheduling scheme is required for wireless multihop networks where the packets are forwarded to several nodes.
In this dissertation, we propose scheduling schemes for the broadband wireless networks to guarantee the quality of service (QoS) requirements and to compensate the wireless channel characteristics associated with both the network topology and the fading channels. We consider a scheduling problem between not only the connections but also the classes. Also, we consider the wireless channel errors which affect the performance of scheduling, and then propose a scheduling scheme to compensate wireless channel errors. With consideration of the wireless channel characteristics, we also propose a scheduling scheme for guaranteeing delay in multiuser diversity systems. We extend the results of scheduling in the wireless cellular networks to the wireless multihop networks. Specifically, we propose a scheduling scheme to guarantee the end-to-end delay of each flow with the proportional fair scheduling. Moreover, we present a capacity estimation scheme for proportional fair scheduling.
First, we consider the QoS for the fixed channel broadband wireless networks. To ensure the performance guarantee among both the connections and the classes, we adopt the framework of IEEE 802.16 broadband wireless access networks, which is one of the representative of the broadband wireless networks. Then, we propose the scheduling scheme based on the delay and throughput requirements. However, since the limited wireless resources are available in practice, a fairness based scheduling upon each connection`s QoS provides better outcomes. Thus, we also propose the scheduling scheme which guarantee the fairness among both the connections and the classes.
Second, we consider the wireless channel characteristics for the broadband wireless networks. Although the connection-based scheduling scheme using the QoS requirements results in better performance compared to the existing works, the location-dependent wireless channel characteristics should be carefully considered with the class-based scheduling scheme in downlink transmission. Thus, we propose the class-based scheduling scheme with the location-dependent wireless channel errors of each connection. Moreover, using the relationship among the wireless channel error indicator, the average signal-to-noise ratio (SNR), and the transmission rate of each connection, we propose the scheduling scheme to improve the performance of the networks.
Third, we consider a delay control problem with proportional fair scheduling in multiuser diversity systems. For proportional fairness of transmission rates among users, we propose a congestion control scheme for guaranteeing both throughput and delay of the wireless network. Specifically, we introduce a scheduling weight to control queue lengths without degrading the throughput of the network because the delay of users depends on their queue length. Using the asymptotic approximation technique, we analyze the throughput and the delay performance of the proposed scheme and show the multiuser diversity effect analytically in the Rayleigh fading wireless channels.
Finally, we propose a scheme for the guaranteed end-to-end delay with the proportional fair scheduling in wireless multihop networks. With the newly introduced delay parameter, we adjust the queue length of each link. We formulate a new optimization problem which guarantees the average end-to-end delay of each flow in wireless networks. Moreover, we investigate the scheduling problem to achieve the proportional fairness among the flows in wireless multihop networks with time-varying channel capacity. Using the signal to interference noise ratio (SINR) and the outage probability, we present an estimate of time-varying capacity. Then, we achieve the proportional fairness in terms of maximizing the network utility function without measurement of channel state information (CSI).
무선 네트워크의 자원 할당을 위한 스케줄링은 유선 네트워크와는 달리 시간에 따라서 전송량이 변하기 때문에, 성능의 보장을 이루기 위해서는 특별한 방법이 필요하다. 무선 네트워크는 다양한 종류의 사용자가 보내는 트래픽이 공유하고 있고, 각각의 트래픽은 독특한 요구 조건을 가지기 때문에 기존의 스케줄링 방법은 변형되어야 한다. 또한, 무선 네트워크는 무선 채널로 인한 성능 저하를 보상하여야 하기 때문에, 유선 네트워크에서 많이 이용되었던 스케줄링 방법은 변형되어야 한다.
본 학위 논문에서는 무선 광대역 네트워크에서의 서비스 품질 보장을 위한 스케줄러 설계 방법을 제안한다. 우선 고정된 무선 채널을 가정하고, 서로 다른 요구 조건을 가지는 사용자를 고려하여 동일한 요구 조건을 가지는 사용자에 대해 스케줄링을 하는 방법을 고려한다. 추가적으로 제안된 스케줄링을 이용하는 네트워크에서 입력 트래픽의 전송률을 조절하여 공정성을 만족도록 한다. 두 번째로는 무선 채널의 에러를 고려하여 서비스 품질을 보장하는 스케줄러를 확장시킨다. 동일한 클래스를 가지는 사용자가 서로 다른 채널 특성을 겪는 상황에서도 서비스 품질 보장을 만족시키는 스케줄러를 제안하고, 채널 상황에 맞게 전송률을 조절할 수 있는 스케줄러를 추가로 고려한다. 세 번째로는 스케줄링에서의 사용자간의 관계를 고려하여 다중 사용자 다이버시티를 이용하는 네트워크에서의 서비스 품질 보장을 만족시키는 스케줄러를 제안한다. 네 번째로는 기지국과 이동국과의 조합으로 얻어지는 단일 홉 네트워크의 구조를 확장하여 여러 개의 네트워크 노드를 거치는 멀티 홉 네트워크에서의 서비스 품질 보장을 만족시키는 스케줄링 기법을 제안한다. 마지막으로는 멀티 홉 네트워크에서의 채널 상태 정보의 획득이 어려운 경우에 전송 실패 확률을 이용한 스케줄링 기법을 제안한다.
본 학위 논문에서 제안하는 스케줄링 방법은 다양한 클래스를 가지는 IEEE 802.16 표준에 근거하여 설계되었기 때문에 실제 광대역 네트워크에 적용될 수 있다. 우선, 무선 채널이 심하게 변하는 상황에서도 시간 지연과 전송률을 보장할 수 있게 하였다. 또한, 멀티 홉 네트워크의 특성을 고려하였으므로 기지국 간의 무선 전송이 필요한 상황에서도 적용될 수 있음을 보였다. 결과적으로 제안된 방법은 기존에 제안된 방법에 비해서 시간 지연 및 전송률을 향상시켰고, 사용자간의 공정성을 이루어내도록 하였다.
