Recently, the amount of mobile data traffic is rapidly increasing by the expansion of the mobile devices such as smartphones, tablet PCs, PDAs, etc. Especially, the most part of mobile data traffic is indoor downlink traffic. Therefore, handling the indoor asymmetric downlink traffic becomes an important issue in mobile networks. OFDMA-TDD cross-slot femtocell system is considered as a promising solution to deal with heavy indoor downlink traffic efficiently. A femtocell is a low-cost, low-power small wireless base station which extends service coverage and increases capacity for fixed indoor users. A TDD system could handle asymmetric traffic by adjusting the uplink/downlink time slot ratio dynamically. Though a femtocell and TDD system are promising answers to support asymmetric indoor downlink traffic, those systems make cross-tier interference and cross-slot interference which diminish the system performance. Thus, interference management becomes a top priority to the OFDMA-TDD cross-slot femtocell system.
In this thesis, we add downlink femtocells to support asymmetric downlink data in pre-existing uplink macrocell and femtocells environment. The objective is to maximize total capacity by properly allocating sub-channels and power to the added downlink femtocells while limiting induced interference from the added femtocells to lower than a certain interference limitation value. The optimal joint scheduling and power allocation algorithm is known to as mixed-integer nonlinear programming that is computationally intractable. Therefore, we propose a new scheduling and power allocation algorithm. This proposed algorithm sequentially executes scheduling and power allocation algorithms to reduce the computational complexity. First, the scheduling algorithm is executed for a given power allocation. Second, a reference victim BS is selected for each added femtocell BS and its sub-channel. Finally, the reference victim BS selection based power allocation algorithm is executed for the given scheduling. The proposed scheduling and power allocation algorithm shows at most 25\% total capacity increase in comparison with the conventional algorithm. While the conventional algorithm could not guarantee the capacity of pre-existing uplink macrocell and femtocells, the proposed algorithm could guarantee the capacity of pre-existing uplink macrocell and femtocells by adjusting the interference limitation value, and could maximize total capacity.
최근 스마트폰과 태블릿 피시를 비롯한 모바일 기기들의 사용 증가에 따라 모바일 데이터 트래픽은 날로 증가하고 있다. 특히, 모바일 데이터 트래픽의 상당 부분은 실시간 스트리밍 서비스 등을 통한 실내에서의 다운링크 트래픽으로서 이의 효율적 처리가 모바일 환경에서의 중요한 문제로 대두되고 있다. 실내 다운링크 트래픽을 처리하기 위한 방안으로 OFDMA-TDD cross-slot femtocell 를 고려한다. 펨토셀은 낮은 가격, 낮은 전력 소모의 소형 기지국으로서 특정 지역에 설치되어 서비스 지역 확장 및 전송 용량 증가의 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다. TDD 시스템은 업링크/다운링크의 비율을 조정함으로써 불균형 트래픽을 효율적으로 처리 할 수 있다. 하지만 이러한 펨토셀과 TDD 시스템은 cross-tier 간섭 및 cross-slot 간섭을 발생시켜 시스템 성능의 저하를 불러온다. 따라서 OFDMA-TDD cross-slot femtocell 에서의 간섭 제어가 무엇보다 중요하다.
본 논문에서는 매크로셀과 펨토셀이 업링크 동작을 하고 있는 환경에서 불균형한 다운링크 트래픽을 처리하기 위해 다운링크 펨토셀을 추가하여 전체 시스템 전송 용량의 이득을 얻고자 한다. 추가되는 다운링크 펨토셀은 부반송파 및 전력 할당을 통해 기존의 업링크 매크로셀 및 펨토셀로 일정 수준 미만의 간섭을 야기하며 전체 시스템 전송 용량을 최대화한다. 해당 부반송파 및 전력 할당 문제는 혼합정수비선형계획로서 계산 과정이 매우 복잡하여 실시간으로 동작할 수 없는 단점이 있다. 따라서 계산 과정이 단순한 새로운 부반송파 및 전력 할당 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 부반송파 할당과 전력 할당을 순차적으로 수행함으로써 계산 과정의 복잡성을 줄인다. 먼저 주어진 전력 할당에서 최적의 부반송파 할당을 수행한다. 두번째로 계산된 부반송파 할당 정보를 기반으로 전력 할당을 하기에 앞서 각 다운링크 펨토셀 기지국의 부반송파 별로 최대로 간섭을 주는 대표 희생 기지국을 선택한다. 마지막으로 부반송파 할당 정보를 기반으로 선택된 대표 희생 기지국의 전송 용량과 자신의 전송 용량의 합을 최대화 하는 전력 할당 알고리즘을 수행한다. 제안 부반송파 및 전력 할당 알고리즘은 기존 알고리즘 대비 최대 25\%의 전송 용량 증가를 보였다. 기존 알고리즘이 기존 업링크 매크로셀과 펨토셀의 전송 용량을 보장해주지 못하는 데 반해 제안 알고리즘은 간섭 제한 값을 변경함으로써 기존 업링크 매크로셀과 펨토셀의 전송 용량을 일정 수준 이상으로 보장하면서 전체 전송 용량을 최대화 할 수 있다.
