As the wireless communication technologies and many applications are developed for the convenient future life, the exhaustion of the spectrum resources is inevitable. By developing the wireless technologies, the multiple radio access technology (multi-RAT) system is operated in the heterogeneous cellular networks. In the heterogeneous network (HetNet), the wireless system becomes more complicated and diverse, and we should take into account many issues, such as how to mitigate an interference effect, how to manage the spectrum resource, how to deploy the cells, and so on. Since the advent of cognitive radio (CR), the CR technologies enable the issues of the interference mitigation or an efficient management of spectrum to be resolved. Moreover, the intelligent communication is facilitated by the development of software-defined radio.
In this dissertation, we investigate the spectrum scarcity problem, which is one of the important issues. To resolve this challenge we introduce the dynamic spectrum allocation (DSA). The DSA is an opposite concept of existing fixed/static spectrum allocation (FSA) policy. In the current spectrum management policy, a large portion of the allocated spectrum is used sporadically and the utilization of allocated spectrum has a geographical variation with a high variance in time. Therefore, we can know that the depletion of the spectrum results from the spectrum management policy rather than the physical scarcity of the spectrum band. Based on this, a lot of literatures demonstrate the drawback of the FSA system and it should be changed in the near future. To complement the FSA, many researches investigate the DSA.
We investigate the DSA for efficient system utilization in the multi-RAT system under the HetNet environments. The system model, which we take into account, is operated as a base station and it exploits the multi-RAT system. The multi-RAT system is designed as a multi-dimensional Erlang loss model to effectively represent the real system. The spectrum is distributed proportionally to the traffic load of each RAT without priority. As mentioned above, if the users of every RAT are similarly coming to the system, the DSA system is not necessary. When a lot of users of some RAT compared with the others come in the system, the DSA performs a role of a kind of load balancing. The analytical result of the DSA and FSA system is found, and the effectiveness is showed. In addition to this, another important issue in the DSA field is that when is the DSA performed. In the economical perspective, this issue is directly related to the DSA execution cost, and it should not be ignored. In this dissertation, we propose the DSA scheme which is executed with different allocation interval coefficients and obtain the optimal allocation interval of the DSA system. Finally, we address the interference effect in the multi-RAT system under the cellular environment. The adjacent channel interference (ACI) as well as the co-channel interference (CCI) has a bad influence on the overall system performance in the HetNet. In the cellular networks, we alleviate the ACI effect by taking the guard band. The DSA system with the guard band is evaluated by comparing with the case of DSA without the guard band. Consequently, we achieve the system requirements by proposing the realistic DSA scheme in the cellular environment.
The spectrum shortage problems resulting from the spectrum management policy can be complemented by the DSA system. There are many challenges in the DSA field until now, and therefore, a large number of researches with respect to the DSA are required in the future. Then many applications and wireless systems can be used for wireless communications without running out of the spectrum resource.
무선통신 기술의 발달과 많은 어플리케이션들로 인해, 스펙트럼 자원의 고갈은 피할 수 없게 되었다. 무선통긴 기술들이 발달함으로써, 다중 라디오 접속 기술 (multi-RAT)들은 이기종 셀룰러 네트워크 (heterogeneous cellular networks)에서 운용되게 되었다. 이기종 네트워크에서는 무선통신 시스템이 더 복잡해지고 다양해지기 때문에 우리는 간섭영향을 줄이는 방법, 스펙트럼 자원을 관리하는 방법, 어떻게 셀을 배치할지 같은 문제들을 다뤄야 한다. 인지 라디오 (cognitive radio)의 등장으로 간섭의 완화 또는 효율적인 스펙트럼 관리 같은 문제들이 다룰 수 있게 되었다.
본 연구에서는 중요한 문제들 중 하나인 스펙트럼 고갈문제에 대해 연구하였다. 이 문제를 풀기 위해 우리는 동적 스펙트럼 할당 (dynamic spectrum allocation)을 도입하였다. 동적 스펙트럼 할당은 기존의 고정 스펙트럼 할당 (fixed spectrum allocation)에 반대되는 개념이다. 현재의 스펙트럼 관리 정책에서는 할당된 많은 양의 스펙트럼이 굉장히 산발적으로 쓰이고 있고, 이 할당된 스펙트럼의 utilization은 공간적으로나 시간적으로나 큰 편차를 지닌다. 그러므로 스펙트럼 고갈 문제는 물리적으로 스펙트럼 자원이 부족하다기 보다는, 현재의 스펙트럼 관리정책으로 인한 결과임을 알 수가 있다. 때문에 많은 연구들에서 현재의 고정 스펙트럼 할당 정책의 단점을 시사하고 있고, 이를 보완하기 위해 동적 스펙트럼 할당에 관한 연구들이 진행되고 있다.
우리는 이기종 네트워크 환경에서 다중 라디오 접속 기술 시스템의 시스템 utilization을 위한 동적 스펙트럼 할당을 연구하였다. 우리가 고려한 시스템 모델은 한 기지국 (base station)이 다중 라디오 접속 기술을 사용하는 형태이다. 다중 라디오 접속 기술 시스템을 보다 효과적으로 표현하기 위해 다차원의 Erlang 손실 모델을 이용하여 설계하였다. 스펙트럼은 우선순위 없이 각 라디오 접속 기술의 트래픽 양에 비례하도록 분배 된다. 앞에서도 말했듯이, 각 라디오 접속 기술의 유저들이 시스템으로 비슷하게 들어온다면, 동적 스펙트럼 할당은 불필요하게 된다. 다른 라디오 접속 기술의 유저보다 몇몇의 라디오 접속 기술의 유저들이 많을 때, 동적 스펙트럼 할당은 일종의 load balancing을 수행하는 것이다. 동적 스펙트럼 할당과, 기존의 고정 스펙트럼 할당의 analytic 결과들은 계산 되었고, 동적 스펙트럼 할당의 효과를 보였다. 또한 동적 스펙트럼 할당 분야에서 중요한 문제들 중 하나인, 언제 동적 스펙트럼 할당을 수행할지에 대해서도 연구가 진행 되었다. 경제적인 관점에서, 이 문제는 동적 스펙트럼 할당 수행 비용과 밀접하게 연관을 맺고, 이는 무시할 수가 없다. 본 연구에서 우리는 다양한 할당 간격을 갖는 동적 스펙트럼 할당 절차를 제안하였고, 동적 스펙트럼 할당 수행 비용을 고려했을 때, 최적의 할당 간격을 도출하였다. 마지막으로, 우리는 다중 셀 환경에서 다중 라디오 접속 기술 시스템의 간섭 영향을 다루었다. 동일 채널 간섭 (co-channel interference)뿐만 아니라, 인접 채널 간섭 (adjacent channel interference)은 이기종 네트워크에서 전체 시스템 성능에 나쁜 영향을 끼친다. 셀룰러 네트워크에서 우리는 보호구역을 설정함으로써, 인접 채널 간섭의 영향을 완화시켰다. 보호구역이 설정된 동적 스펙트럼 할당 시스템은 보호구역이 없을 때와 비교 되었다. 결과적으로 우리는 셀룰러 환경에서 좀더 현실적인 동적 스펙트럼 할당 절차를 제안함으로써, 시스템 요구사항을 만족시켰다.
스펙트럼 관리 정책으로부터 야기된 스펙트럼 부족 문제는 동적 스펙트럼 할당으로 보완이 된다. 아직까지 동적 스펙트럼 할당 분야에 많은 풀어야 할 문제들이 존재한다. 그러므로, 동적 스펙트럼 할당에 관한 많은 연구들이 진행 되야 할 것이다. 그러면, 많은 어플리케이션과 무선통신 시스템들을 위한 스펙트럼 자원의 고갈 없는 환경이 제공될 수 있을 것이다.
