$\textit{Scheduling scheme and non-scheduling scheme}$ are representative multiplexing schemes for cellular downlink. The scheduling scheme allocates radio resource to a few scheduled mobile stations while the non-scheduling scheme supports all admitted mobile stations. Therefore, the scheduling scheme provides intermittent service with large amount of radio resource and the non-scheduling scheme serves the mobile stations continuously with relatively small amount of radio resource. According to the different feature of each scheme, it is desirable to accommodate non-real time, high data rates in the scheduling system while the non-scheduling system can support low/medium rate data services and real-time services with short delays and small delay variations. Since the total system capacity is considered as one of important performance metrics in designing future wireless communication systems, the scheduling scheme is considered as a good candidate. However, there are various types of services, such as VoIP, real-time video, and data services. Some services generate real-time and medium/low rate traffic, while other services generate bursty and high rate traffic. QoS metrics, such as delay and delay variation can be important performance metrics for evaluating the performance of the scheduling systems. In the viewpoint of QoS parameters, the scheduling system cannot be a sole resource allocation scheme for optimal communication systems.
In this dissertation, we propose a hybrid scheduling system (HSS) which combines the scheduling and non-scheduling schemes to provide QoS guaranteed services and maximize the system capacity simultaneously. The proposed HSS combines the different multiplexing schemes using $\textit{operation mode classifier}$ and $\textit{bandwidth manager}$. According to a design strategy for the operation mode classifier and the bandwidth manager, various versions of HSSs can be implemented. We implement three different types of HSSs : HSS-I, HSS-II, and HSS-III. HSS-I is implemented by combining VSF-OFCDM and OFCHM (orthogonal frequency and code hopping multiplexing) in time domain. We investigate an optimal resource allocation for the hybrid scheduling system by analyzing the performance of HSS-I. HSS-II is designed using cooperative relay stations. We analyze the capacity and throughput in heterogeneous traffic environment. The analyzed result shows that HSS-II outperforms any type of conventional scheduling system in terms of the system throughput. HSS-III is designed for ODFMA system. We show that virtually dedicated resource allocation (VDRA) scheme can maximize the performance of HSS-III rather than conventional dedicated resource allocation (DRA) scheme. The VDRA provides excessive statistical multiplexing gain (SMG) by allowing resource collision among different hopping patterns. Due to the SMG, it is possible to support non-scheduling mode mobile terminals with the smaller resource. Therefore, the performance of HSS-III can be maximized using the VDRA. Finally, the proposed hybrid scheduling system has a flexible structure to accommodate various applications with different types of resource allocation schemes. Since the HSS provides QoS performance as well as high throughput, it is an appropriate system for future mobile communication system.
본 학위 논문은 스케줄링 기반의 자원 할당 방식과 비-스케줄링 자원 할당 방식을 융합하는 하이브리드 스케줄링 시스템의 구조를 제안한다. 스케줄링 기반의 자원 할당 방식은 매 순간 선택된 소수의 사용자에게 무선 자원을 나누어 할당하는 반면 비-스케줄링 방식은 admission control을 통과한 모든 사용자에게 고루 자원을 할당한다. 또한 이동 통신 시스템이 지원해야 할 서비스는 FTP, HTTP와 같이 높은 전송률을 요구하는 서비스와 VoIP, NRTV, E-Mail과 같이 중/저속의 전송률이 요구되거나 실시간으로 전송되어야 하는 서비스들로 구분 가능하다. 그러나 3세대 이후 많은 이동 통신 시스템에서 순간 최대 전송률을 극대화 하기에 적합한 스케줄링 기반의 자원 할당 방식을 채용하고 있다. 그러나 스케줄링 기반의 자원 할당 방식으로 실시간 또는 중/저속 서비스를 제공하기 위해서는 자원의 낭비 및 서비스 품질 저하 등의 많은 문제점을 해결해야 한다. 이를 위한 기존의 연구들은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 스케줄러의 성능을 개선하거나 다중 사용자 패킷 (multi-user packet)과 같은 새로운 형태의 전송 포맷을 개발하는 등, 스케줄링 기반의 자원 할당 방식의 테두리 안에서 문제를 해결하고자 하였다. 그러나 기존의 연구 또한 문제를 완전히 해결하지 못하고 있으며 이 문제는 차세대 이동 통신 시스템의 표준을 위해 해결해야 할 중요한 문제로 남아 있다.
이에 본 연구에서는 고속 데이터 전송에 적합한 스케줄링 기반의 자원 할당 방식과 실시간 또는 중/저속 데이터 전송에 효율적인 비-스케줄링 자원 할당 방식을 융합하고 동적으로 운영하여 다양한 서비스를 효율적으로 수용할 수 있는 하이브리드 스케줄링 시스템을 제안한다. 또한 서로 다른 특성을 가지는 두 자원 할당 방식을 효율적으로 융합하기 위한 설계 전략을 제안한다.
제안한 하이브리드 스케줄링 시스템의 성능을 분석하고 검증하기 위해 세 가지 형태의 하이브리드 스케줄링 시스템을 설계하였다. 첫 번째 하이브리드 스케줄링 시스템인 HSS-I은 VSF-OFCDM과 OFCHM을 시간축에서 융합하여 설계한 시스템이며 본 HSS-I의 성능을 검증하여 하이브리드 스케줄링 시스템에서의 최적 자원 할당에 대해 분석하였다. 두 번째 시스템인 HSS-II는 협력 relay 방식을 이용해 설계하였다. 다수의 relay station이 존재하는 하향링크 셀룰라 시스템에서 하이브리드 스케줄링 시스템을 구성하고 다양한 트래픽이 혼재하는 환경에서 성능을 분석하여 기존의 스케줄링 방식에 비해 높은 수율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 끝으로 OFDMA 환경에서 구현한 HSS-III를 기반으로 dedicated resource allocation (DRA) 방식과 virtually dedicated resource allocation (VDRA) 방식의 성능을 비교하여 하이브리드 스케줄링 시스템의 성능을 극대화하기 위한 방안을 연구하였다. VDRA 방식은 무작위 자원 도약, 자원 충돌 허용을 통해 높은 통계적 다중화 이득을 얻을 수 있으며 이를 기반으로 하이브리드 스케줄링 시스템의 수율과 서비스 품질 지수 (QoS) 를 개선한다. 본 학위 논문에서 제안한 하이브리드 스케줄링 시스템의 구조는 매우 유연한 구조로 다양한 서비스를 최소의 자원으로 제공할 수 있으며 차세대 이동 통신 시스템을 위한 구조로 적합하며 표준화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
