Recently the demand for high data rate wireless data service has been increased enormously. To meet this growing demand, the efficient radio resource allocation scheme is the key requirement in the emerging and the future broadband wireless networks. However, a wireless communication channel suffers from many impairments such as the path loss in power as the radio signal propagates, the shadowing due to the presence of fixed obstacles in the radio path, and the fading which combines the effect of multiple propagation paths. Due to this problem, the overall system performance can be severely degraded. The diversity technique is the effective mean to compensate for the fading channel impairments. Among them, the technique based on the multiuser diversity has been attracted much attention due to its ability to provide a reliable high data rate services. There are two diversity techniques employed in the multiuser cooperative network: cooperative diversity (CD) and multiuser diversity (MUD). However, there are few researches considering both CD and MUD in cooperative relay networks where CD can improve the transmission reliability while MUD can increase the spectral efficiency. Moreover, the existing schemes based on the full channel state information (CSI) require the heavy feedback overhead between a base station (BS), relay stations (RSs), and mobile stations (MSs).
In this dissertation, we focus on designing the radio resource allocation scheme with feedback reduction
over multiuser diversity systems for two types of networks: single-hop network and relay-enhanced network. We consider a cellular network where data transmission are controlled and coordinate at the BS. In the single-hop network, in order to reduce feedback overload, a framework of contention-based feedback was established. However, since an MS is randomly chosen, it cannot maximize capacity.
Moreover, if a collision occurs and thus, the BS cannot obtain any information to schedule an MS.
Then, a scheduling outage happens. Thus, in this dissertation, we propose the resource allocation
with the improved contention based feedback to maximize capacity. The proposed scheme guarantees selecting the MS with the highest signal-to-noise ratio (SNR) channel state and considers the scheduling
outage situation using previous feedback information. In addition, we define the effective capacity to show the relation between the capacity and the feedback overload. On the other hand, without an appropriate scheduling scheme for MSs in a scheduling outage situation, the opportunistic feedback protocol degrades the system performance and it does not achieve the desired capacity and fairness trade-off. Thus, we propose an advanced downlink multiuser resource allocation scheme to balance a trade-off between capacity and fairness with one-bit information. In particular, we propose a high successful-feedback MS selection (HSMS) scheme using one-bit information to provide the flexible trade-off in a scheduling outage situation. As a result, the proposed scheme not only reduces a significant feedback overload but also considers scheduling in the outage situation.
In addition, we propose a fair semi-distributed resource allocation scheme over relay-enhanced orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) cellular networks. Since the existing works based on the centralized manner require the heavy feedback overhead between a BS and
RSs, we design a resource allocation scheme in the semi-distributed manner to reduce the feedback overhead. In the proposed scheme, a frame is divided into subframes and the BS and RSs allocate the subchannel in the dedicated subframe to its associated MSs. In addition, the proposed scheme guarantees fairness among MSs with the throughput-optimal scheduling. Finally, we propose a RS-MS resource allocation scheme with limited feedback for multiuser cooperative networks. The aim of the
the proposed scheme is to enhance the spectral efficiency exploiting diversity techniques. Thus, an incremental relaying scheme with limited feedback is presented.
앞으로의 미래 광대역 네트워크에서 효과적인 무선 자원 할당 방법은 핵심적인 요구 사항이다. 그러나 무선 통신 채널은 무선 신호가 전파되면서 신호가 감쇄하는 문제, 전파 경로에 고정된 장애물로 인하여 생기는 음영 문제, 여러 전송 경로 효과로 나타나는 페이딩 현상 문제 등이 발생한다. 이러한 문제들로 인해서 전체적인 시스템 성능은 크게 저하될 수 있다. 다이버시티는 이러한 채널 페이딩으로 인한 문제점을 보상할 수 있는 효과적인 방법으로 무선 협력 네트워크에서는 크게 두 개의 대표적인 다이버시티 방법이 있다. 하나는 협력 다이버시티이고 다른 하나는 다중 사용자 다이버시티다. 이러한 중계기를 이용해 전송 신뢰도를 높일 수 있는 협력 다이버시티와 무선 전송 효율을 높일 수 있는 다중 사용자 다이버시티를 모두 고려한 연구는 아직까지 많이 진행되지 않았다. 또한 모든 채널 정보를 기반으로 하는 현재의 피드백 방법은 기지국과 중계기 단말기 사이에 많은 피드백 오버헤드를 요구하고 있다.
따라서 본 박사 학위 논문에서는 우리는 제한된 피드백을 기반으로 무선 자원 할당하는데 중점을 두고 연구하였다. 크게 단일 홉 네트워크와 릴레이 기반 네트워크의 다중 사용자 시스템을 바탕으로 연구를 진행하였다. 단일 홈 네트워크에서 채널 피드백 정보가 없는 스케줄링 정전 상황에서 적절하게 단말기를 스케줄링 하지 못한다면 기존의 기회주의적 피드백 프로토콜은 전체적인 시스템 성능을 저하시키고 따라서 원하는 통신 용량과 공정성사이의 균형을 달성하지 못하게 된다. 따라서 우리는 이러한 문제점을 해결하기 위해 1 비트 기반의 향상된 스케줄링 기법을 제안하였다. 특별히 우리는 HSMS라는 방법을 제안하여 하나의 비트를 기반으로 하여 스케줄링 정전 상황에서도 유연하게 통신 용량과 공정성 사이의 균형을 달성하였다. 그 결과 제안된 방법은 피드백 오버헤드를 줄일 뿐만 아니라 스케줄링 정전 상황까지도 고려하여 무선 자원 할당을 할 수 있게 되었다. 한편 피드백 오버헤드를 줄이기 위하여 기존에 경쟁 기반의 피드백 기법이 제안되었다. 그러나 이러한 경쟁 기반의 피드백 기법에서는 접속 확률에 따라서 하나의 사용자가 임의적으로 선택되기 때문에 통신 용량이 최대화 되지 않는다.
더구나 경쟁 기반에서 피드백 정보가 충돌이 발생하게 되면 기지국은 사용자를 스케줄링 할 정보를
아무것도 얻지 못하여 스케줄링 정전이 발생되게 된다. 따라서 이 박사 학위 논문에서 우리는 두 단계로 이루어진 기회주의적 피드백 방법을 제안하여 제한된 피드백 기반으로 통신용량을 최대화하였다.
제안된 방법은 가장 신호대잡음비가 높은 사용자를 선택하는 것을 보장할 뿐만 아니라 기존의 피드백 정보를 기반으로 스케줄링 정전도 고려하여 스케줄링하게 된다. 또한 우리는 효과적인 통신 용량을 정의하여 통신용량과 피드백 오버헤드와의 관계를 보였다.
한편, 우리는 중계기 기반은 OFDMA 셀룰라 네트워크에서의 반분산형태의 자원할당 방법을 제시하였다. 기존의 연구되었던 중앙에 집중되어 자원 할당하는 방법은 기지국과 중계기 사이에서 많은 피드백 오버헤드가 존재하기 때문에 우리는 이러한 피드백 오버헤드를 감소시키기 위하여 반분산 형태의 자원할당 방법을 제시하였다. 제한된 방법에서 하나의 프레임은 서브프레임으로 나누어지고 기지국과 중계기 각각 할당된 서브 프레임 내에서 서브 채널을 연관된 단말기에 할당한다. 또한, 최적출력 스케줄링 기법과 함께 제안된 방법은 단말기 사이의 공정성 또한 보장한다. 한편 마지막 연구에서 우리는 협력다이버시티와 다중 사용자 다이버시티를 모두 고려하여 제한된 피드백 기반의 협력 중계기 방법을 제안하였다. 제안된 방법에서는 제한된 피드백 방법과 함께 무선 자원 효율성을 위하여 우리는 릴레이 중분 기반으로 중계기가 필요한 경우에만 기지국의 정보를 중계하는 방법을 사용한다.
