To achieve high network system capacity, 4G cellular standards are targeting an aggressive spectrum reuse (frequency reuse 1) approach, which unfortunately results in severe performance degradation for cell edge users owing to the increased inter-cell interference (ICI). Furthermore, this phenomenon becomes more critical when the number of base stations (BSs) is increased to enhance the spatial capacity for a given service area. Therefore, effective interference coordination among BSs is essential to attain the full potential gain of multi-cell OFDMA networks and provide ubiquitous user experiences throughout the network.
Motivated by this observation, in this thesis we first focus on an inter-cell time-domain resource partitioning that adapts to time varying user distribution and traffic loads for multi-cell OFDMA networks. We propose an adaptive fractional time reuse (FTR) scheme that combines reuse 1, soft FTR, and an inter-cell time-domain resource partitioning algorithm in conjunction with intra-cell user scheduling to maximize the network-wide performance. Through intensive simulations, we show that the proposed adaptive FTR significantly improves the 5th percentile average throughput while sustaining the geometric average throughput.
Next, we study a technique that improves the network-wide performance by jointly considering cross-tier and intra-tier interference under heterogeneous multi-cell OFDMA networks. We propose an enhanced FTR scheme that adaptively combines reuse 1, soft time reuse 3, and nearly muted resource partitions for both macrocells and picocells. We also propose a unified inter-cell resource partitioning algorithm considering overall performance maximization and inter-cell/cross-tier fairness under time varying users` channel status as well as traffic loads. Extensive simulations show that the proposed enhanced FTR enhances the geometric average throughput, the 5th percentile average throughput, and fairness under various traffic loads among macrocells and picocells.
Finally, we focus on a quality of experience (QoE) aware resource allocation that considers users` time varying channel status and heterogeneous service requirements in multi-cell OFDMA networks. We propose a QoE-based proportional fair (PF) scheduling considering the tradeoff between maximizing QoE and guaranteeing fairness among users. Our utility function is based on the mean opinion score (MOS) model reflecting the application-specific characteristics. We introduce a Bezier curve based continuously differentiable MOS model instead of using the conventional bounded logarithmic MOS model which is generally non-concave. Then, we propose a utility function, which is proven to be concave, for QoE provision to achieve the global optimality with opportunistic gradient scheduling, which can be easily incorporated with the proposed adaptive FTR for ICI coordination. Simulation results show that our proposed technique significantly improves the network-wide users` average QoE while sustaining the edge users` performance, e.g., the 5th percentile users` QoE.
4G 이동통신 표준에서는 높은 네트워크 용량을 지원하기 위해 주파수 재사용 1을 목표로 하고 있다. 하지만 이러한 방식은 전체적인 네트워크 용량은 증가하지만, 셀 경계영역에 위치한 사용자들은 심각한 셀간 간섭에 의해 성능이 열화 된다. 또한 이러한 현상은 전체적인 성능을 높이기 위해 서비스 영역당 기지국의 수가 늘어날수록 더욱 심각해진다. 그러므로 네트워크 내 어디서나 만족할만한 사용자 성능을 제공하기 위해서는 기지국들 간 협력을 통한 효율적인 셀간 간섭 조정이 필수적이다.
또한 최근 스마트기기들의 광범위한 보급으로 인하여, 이동 네트워크 사용자들이 기존의 음성통신 이외에 비디오 스트리밍, 웹페이지 다운로드 등의 다양한 서비스를 사용하고 있다. 이러한 서비스들은 데이터 전송속도와 사용자의 만족도가 정비례 하지는 않는다는 특징이 있다. 사용자의 만족도는 사용자가 이용하는 서비스 종류 및 사용자의 모바일 기기의 특징과 연관이 있다.
이러한 배경에서, 본 논문은 첫 번째로, 스케줄링 단위가 아닌 일정 주기의 시간단위로 기지국 간 적은 양의 정보 교환을 통해, 셀 경계영역의 사용자들의 데이터 전송속도를 높여주는 적응적인 셀 간 시간 자원 분할 방식(adaptive FTR: Fractional Time Reuse)을 제안하였다. 다양한 트래픽 부하 및 사용자 분포 환경의 시뮬레이션을 통해, 제안한 방식이 전체적인 성능은 유지하면서 주로 기지국 경계영역에 위치한 하위 평균 성능 5%의 사용자들의 데이터 전송속도를 높임을 확인하였다.
두 번째로는, 피코 셀과 같은 작은 셀들이 매크로 셀 안에 배치되어 있는 이종 네트워크 환경에서 크로스 계층(매크로 셀/피코 셀) 및 인트라 계층(매크로 셀/매크로 셀)에서 발생하는 셀 간 간섭을 함께 고려하는 강화된 셀 간 시간 자원 분할 방식(enhanced FTR)을 제안하였다. 제안한 방식은 매크로 셀과 피코 셀 사용자의 채널 상태 및 트래픽 부하를 반영하여 전체 네트워크의 성능 최대화 및 셀 간 공평성을 고려하여 셀 간 시간 자원을 적응적으로 분할한다. 매크로 셀과 피코 셀 간 다양한 불균형 트래픽 부하 환경의 시뮬레이션을 통해, 전체 네트워크의 평균 사용자 성능뿐 아니라 매크로 셀 또는 피코 셀 경계영역에 위치한 하위 평균 성능 5% 사용자들의 데이터 전송속도 또한 향상되며, 이로 인해 사용자간 공평성이 향상됨을 확인하였다.
세 번째로는, 사용자의 서비스 종류에 따른 사용자 체감품질 및 사용자의 시변 채널 상태를 고려한 비례 공평 (Proportional Fair) 스케줄링 방식을 제안하고, 적응적인 셀 간 시간 자원 분할 방식과 결합하여 다중 셀 환경으로 확장하였다. 다양한 시뮬레이션을 통해, 제안한 방식이 제한된 네트워크 자원 내에서 전체 사용자의 평균 사용자 만족도를 최대화 하고, 특히 사용자 체감품질을 고려한 간섭 조정 기법에 의해 셀 경계영역 사용자들의 만족도를 크게 개선하는 것을 확인하였다.
