The wireless spectrum has been conventionally regulated by government agencies in the form of allocating to license holders or services on a long-term basis over vast geographical regions. Recently, a spectrum scarcity problem has been surfaced due to the explosive increase in spectrum demands with the rapid emergence of various wireless services. In this context, the paradigm shift of the spectrum management for efficient use of the spectrum resource is at issue, and the dynamic spectrum allocation (DSA) has been come into the spotlight as the upcoming spectrum management paradigm. The DSA can contribute to mitigate the spectrum scarcity problem arising from the current rigid spectrum allocation model. The fundamental of the DSA is to distribute the finite spectrum resource to be responsive to demands varying in time and space.
In this dissertation, we examine the implementation of the auction based DSA that a spectrum broker (SB) coordinates the allocation of the DSA enabled band within the DSA region using the real-time spectrum auction. Specifically, we investigate the DSA problem that how to make good use of the DSA enabled band by reflecting the varying demands.
To this end, the optimal DSA problem is addressed with various objective functions to maximize the measures of the DSA such the auction revenue of the SB and spectrum utilization inside the DSA region. The optimization problem is formulated using the binary integer programming (BIP) to obtain the optimal DSA solution. To the best of our knowledge, this work is the first to apply the BIP to the DSA. The BIP determines a set of binary decisions (yes-or-no) to optimize the given objective within the given constraints.
Thus, the BIP is suitable for the optimal DSA problem that the SB decides whether allocate or not allocate the channels of the DS enabled band to users. The SB based DSA scenarios considered in this dissertation are two folds: DSA between a SB and independent base stations (BSs), and DSA between a SB and group of BSs of operators.
First, we examine the BIP formulated DSA in the independent BSs based DSA where the SB allocates the channels of the DSA enabled band to independent BSs. We provide the BIP formulation for the optimal DSA problem with objective functions of revenue maximization, spectrum utilization, and multi-objective optimization that compromises the objectives of the revenue and spectrum utilization maximization depending on the preference between each objective. Furthermore, we provide the quality of service (QoS) constraint in accordance with the BIP formulated optimization problem using the interference quantization with the downlink assumption. Using simple examples and statistical simulation results, we examine the results of the proposed BIP formulated DSA.
Second, we examine the BIP formulated DSA in the operator based DSA that is more realistic situation then the independent BSs based DSA with the applicability to existing cellular networks. The SB allocates the channels of the DSA enabled band to the group of BSs belonging to each operator. Thus, it is necessary to modify the BIP formulation in the independent BSs based DSA to reflect that the allocation results of all BSs of each operator are same. To this end, we provide the modified BIP formulation to reflect the simultaneous allocation of BSs belonging to each operator. Similar to the independent BSs based DSA, using examples and statistical simulation results, we examine the results of the proposed BIP formulated DSA.
최근 들어 스마트폰, 태블릿 PC 등을 이용한 다양한 무선 서비스의 출현 및 보급으로 인해 주파수 자원의 수요가 급증하면서 주파수 부족 문제가 대두되고 있다. 이로 인해 주파수 관리 패러다임의 변화가 요구되면서 주파수 자원의 효율적인 활용을 위한 정책적, 기술적 연구가 다양하게 진행되고 있다. 각각의 주파수 관리기관(우리나라의 방송통신위원회, 미국의 FCC, 영국의 Ofcom 등)을 중심으로 현재 이슈가 되고 있는 DTV 전환 후 발생하는 여유대역 활용 방안, 주파수 회수 및 재배치, 경매, 2차 시장, 공유 방식 등의 개방형 주파수 관리 방식 도입에 관한 검토 및 논의가 활발히 진행되고 있다. 또한, 연구기관 및 학계에서는 주파수 자원의 효율적인 활용을 위한 동적 주파수 할당 방안 및 기술에 관한 연구 결과들이 꾸준히 발표되고 있다.
본 논문에서는 주파수를 시간 및 공간적으로 변화하는 주파수 요구량에 맞게 탄력적으로 분배하는 동적 스펙트럼 할당 방안에 대해 연구한다. 이는 현재 정책적으로 논의가 되고 실제 몇몇 주파수 할당 시에 이루어지고 있는 주파수 경매 및 2차 시장의 시간적 주기 및 공간적 범위를 기술적으로 좀 더 짧고 작게 하여 주파수 변화에 보다 즉각적으로 반응하여 그에 맞게 주파수를 할당할 수 있는 기술이다. 예를 들어 생각할 수 있는 시나리오는 동적 주파수 할당을 관장하는 주파수 브로커가 존재하고, 주파수 브로커는 주파수 관리기관으로부터 동적 스펙트럼 할당이 가능한 대역에 대한 면허권을 부여 받고, 자신이 담당하는 지역 내에서 주파수 실 사용자인 무선 서비스 사업자들에게 동적으로 할당하는 시나리오이다. 즉, 무선 서비스 사업자들은 자신의 주파수 요구량을 예측하고 그에 맞게 주파수 브로커에게 주파수를 요청하면, 주파수 브로커는 요청 정보를 바탕으로 면허권 대역을 할당하는 것이다. 이는 주파수 할당의 개체 범위에 따라, 본 논문에서는 사업자의 기지국 단위로 독립적으로 주파수를 요청하고 할당 받는 방식과 사업자 별 기지국 그룹 단위로 주파수를 요청하고 할당 받는 방식으로 나누어서, 두 가지의 시나리오 상에서 동적 스펙트럼 할당 방식을 연구한다.
첫 번째의 독립적인 기지국 기반의 동적 스펙트럼 할당 방식에서의 연구 범위는 다음과 같다. 본 논문에서는 binary integer programming(이진 정수 계획법)을 적용하여 특정 사업자의 기지국에게 특정 주파수 대역의 채널을 할당할 것인가 안 할 것인가를 결정하는 문제를 다룬다. 이러한 이진 정수 계획법을 이용한 최적의 동적 스펙트럼 할당에서 제약조건은 동일 채널을 할당 받은 기지국 간에 발생하는 간섭으로 인한 기지국의 quality of service(서비스 품질, QoS) 만족 여부이다. 본 논문에서는 기지국간의 간섭 현상을 간단하게 모델링할 수 있는 잘 알려진 interference graph(간섭 그래프) 및 간섭그래프의 단점인 간섭에 대한 이분법적인 판단으로 인해 간섭의 누적효과를 반영할수 없는 단점을 보완하기 위해 실제 signal to interference plus noise ratio(신호 대 간섭 및 잡음비, SINR)를 이진 정수 계획법에 적합한 형태의 제약조건으로 수식화한다. 이러한 제약조건 하에, 주파수 브로커 입장에서 동적 스펙트럼 할당을 통해 얻게 되는 주파수 경매 수익 및 주파수 관리자 입장에서 중요하게 고려되는 주파수 이용률을 목적함수로 하는 이진 정수 계획법을 이용한 최적의 동적 스펙트럼 할당 문제를 모델링 한다. 그리고 이 두 가지 목적함수를 각각의 가중치에 따라서 동시에 고려할 수 있는 다중 목적 최적화 문제를 모델링한다. 간섭 그래프 기반의 이진 정수 계획법을 이용한 동적 스펙트럼 할당 방식에서는 동일한 문제의 기존 연구인, 반복적으로 하나의 할당 기지국 별 채널씩 찾아나가는, 탐욕 알고리즘(greedy algorithm)을 이용한 결과 대비 우수성을 입증한다. 또한, 각각의 목적 함수 및 다중 목적 최적화의 가중치에 따른 결과값을 비교분석 한다. 다음으로, 간섭량을 이분법적으로 결정함으로 인해 부정확한 단점을 지닌 간섭그래프를 보완하기 위해 신호 대 간섭 및 잡음비를 기준으로 간섭량을 좀 더 세분화 해서 양자화하는 방법을 이용한다. 그 결과, 양자화 레벨이 높아질수록 이루고자하는 목적 함수의 결과값은 미세하게 줄어들지만, 동적 스펙트럼 할당의 정확성을 나타내는 지표인 서비스의 품질 보장 정도가 매우 개선된다는 것을 확인한다.
두 번째의 사업자 기반의 동적 스펙트럼 할당 방식에서는 위에서 수식화한 이진 정수 계획법을 이용한 최적의 동적 스펙트럼 할당 방식에서 개선되어야 하는 부분을 지적하고, 이를 개선하여 사업자 기반의 동적 스펙트럼 할당 방식을 구현한다. 기지국 단위로 독립적으로 할당하는 방식과 마찬가지로, 본 논문에서 제시한 이진 정수 계획법 기반의 동적 스펙트럼 할당 방식이 다양한 목적함수들에 따라서 그에 맞는 최적의 결과값을 얻는다는 것을 확인한다. 이진 정수 계획법에 맞는 간섭 양자화 기반의 제약식을 적용해서, 양자화 레벨이 높아짐에 따라 최적의 결과값은 미세하게 줄어들지만, 서비스의 품질 보장 정도가 매우 개선된다는 것을 확인한다.
본 논문에서 제시한 이진 정수 계획법을 이용한 최적의 동적 스펙트럼 할당 방식은 현재 활발히 진행중인 동적 스펙트럼 할당 연구분야에서 하나의 연구 방향을 제시한다. 이 연구는 실시간 경매 형태로 이루어지는 최적의 동적 스펙트럼 할당 연구 뿐만 아니라 다양한 연구로 응용 및 확장될 수 있을 것으로 기대된다.
