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Cross-layer resource allocation for military communications services in multiuser OFDM systems = 다중사용자 OFDM 시스템에서 군 통신서비스를 위한 교차계층 기반의 자원 할당 연구
서명 / 저자 Cross-layer resource allocation for military communications services in multiuser OFDM systems = 다중사용자 OFDM 시스템에서 군 통신서비스를 위한 교차계층 기반의 자원 할당 연구 / Jae-Soong Lee.
저자명 Lee, Jae-Soong ; 이재숭
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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초록정보

Commercial-off-the-shelf (COTS) communication systems are expected to encompass the military applicability, as the military increasingly desire the use of high bandwidth com munications and mobile supporting networks with improved interoperability. This research presents of military communication requirements needed for applying COTS into tactical environment. Military communication requirements such as information flows for command and control, dynamic network topology, military quality of service (QoS), and cross-layer resource management are discussed as potential military communications solutions. COTS must be enhanced by those requirements in order to meets the tactical communication needs. From these requirements, we address the cross-layer resource allocation problem for a potential military usage. In particular, we investigate the channel adaptive resource allocation in multiuser orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems while considering multiclass service, battery autonomy, and peer to peer (P2P) communications. Multiclass services play a critical role for multimedia applications, as well as providing the military with prioritized communications services. For instance, the military communications require graceful degradation of QoS for the less important users, and high QoS for the more important users in spite of the same class service. In military communications, multiclass services are more diverse than civilian communications in terms of supporting prioritized users. A total transmit power minimization problem is examined for the various data rates and bit-error rate (BER) traffic. Lagrangian relaxation and a subcarrier time-sharing factor are used to find an optimal solution. We propose an iterative algorithm to find optimal power consumption and a low-complexity subcarrier allocation algorithm for practical implementation. The low-complexity subcarrier allocation algorithm provides performance very close to that of the proposed iterative algorithm with simplicity. The proposed algorithms are simulated in various QoS parameters and the fading channel model. Furthermore, resource allocation is performed not only subcarrier by subcarrier but also frequency block by frequency block (comprises several subcarriers). These extensive simulation environments provide a more complete assessment of the proposed algorithms. Simulation results show that the proposed algorithms significantly outperform existing algorithms in terms of total transmit power consumption. In the uplink transmission of multiuser OFDM systems, most resource allocation studies have focused on total power minimization problem. It endeavors to minimize the sum of power consumption of all users without considering the individual power consumption of energy-constrained mobile terminals. We examine the problem of maximizing battery autonomy for the user that is anticipated to first experience energy depletion. Battery autonomy is defined here as reserve capacity after satisfying QoS requirements of each user. Our strategy is to minimize the transmit power consumption of the lowest battery autonomy user by a channel adaptive resource allocation. A Lagrangian relaxation scheme is also used to find an optimal subcarrier and power allocation solution. We propose an iterative algorithm using these solutions to find near optimal power consumption of the lowest battery autonomy user. The proposed algorithm significantly outperforms existing algorithms in terms of transmit power consumption of the lowest battery autonomy user. Furthermore, the proposed algorithm also presents better performance than existing algorithms in terms of total transmit power consumption. The existing algorithms provide the overly high priority of resource occupancy for low battery autonomy users, which results in unfair resource distribution and increasing total transmit power consumption. For peer to peer communications (i.e., ad-hoc and/or mesh) between subscriber stations (SS) in a cellular area, we consider the resource allocation mechanism that defines the role of BS and a cluster head SS. We define that a cluster consist of multiple P2P communications links. A cluster head SS governs the resource allocation for a cluster. We develop a novel hierarchical subcarrier allocation algorithm in order to minimize total transmit power while satisfying the quality of service requirements of links in a cluster. In our proposed algorithm, the first stage algorithm by BS determines the bandwidth of each link based on the transmit power constraint and power efficiency. The proposed algorithm in BS controls the ratio of transmit power constraint violation at each link by the bandwidth size (i.e., number of subcarriers). This results in reducing the interference power for co-channel used in by other clusters. Then, cluster head SS achieves the multiuser diversity by prioritized subcarrier allocation as the second stage algorithm. We use the optimality driven values from Lagrangian technique instead of channel gain value when links choose their favorable subcarriers. Our algorithm shows significantly less power consumption than non-channel adaptive scheme while simultaneously reducing bandwidth usage and the ratio of transmit power constraint violation.

군(軍)에서는 고대역폭과 이동통신이 가능하며 상호운용성이 보장되는 통신시스템이 점점 요구되어지고 있는 상황에서, 상용통신시스템이 군 통신 시스템으로 응용 발전되어지라는 것이 예견되어 지고 있다. 본 논문에서는 상용장비를 군에 적용할 경우, 어떠한 군통신망 요구사항이 있으며, 어떻게 성능향상을 해야 하는지를 살펴보고 그 중 군 통신망에 운용가능성이 있는 교차계층 기반의 자원할당 연구를 다중사용자 OFDM 시스템에서 고찰하였다. 특별히 멀티클래스를 보장하며, 밧데리 용량의 제한이 있는 경우, 아울러 애드혹이나 메쉬등과 같은 상호 통신을 해야 할 경우 어떻게 자원할당을 하는 것이 효율적인가를 살펴 보았다. 제 3 장에서는 멀티클래스를 보장하면서 전체 전송파워의 소모를 최소화 하는 자원할당을 연구하였다. 먼저 멀티클래스를 지원하는 자월할당은 멀티미디어 애플리케이션을 보장함과 동시에, 군의 우선순위에 기반한 통신 서비를 보장 할 수 있다. 예를 들면, 군에서는 유사시 우선순위가 높은 사용자들에게 보다 높은 서비스 품질을 요구할 수 있으며, 이 때 우선순위가 낮은 사용자들은 서비스 품질의 저하 또는 서비스 차단등을 통해서 우선순위가 높은 사용자나 정보의 유통을 보장하기 때문이다. 따라서 군에서는 같은 응용프로그램을 사용하더라도, 그 서비스클래스는 상용서비스 보다 더 다양해 질 수 있는 환경을 갖고 있다. 이러한 멀티클래스, 즉 다양한 데이터 속도와 비트에러율을 갖는 서비스 품질을 만족하면서 기지국에서 전체적인 전송파워의 소모를 최소화 할 수 있는 방안을 제시하였다. 최적화된 솔루션을 구하기 위해 우리는 전형적인 최적화 이론 중의 하나인 라그랑지안 최적화 이론을 이용하였다. 이 이론을 통해 최적화된 자원할당, 즉 서브캐리어 할당 솔루션을 찾고, 이를 기반으로 반복알고리듬을 제안하였다. 반복알고리듬은 최적의 서브캐리어 할당과 최적의 파워소모량을 구하기에 적합하나, 반복알고리듬의 특성상 복잡도가 상당하다. 따라서 우리는 아주 간단하면서도 성능이 반복알고리듬에 근접하는 알고리듬을 제안하였으며, 그 성능은 기존에 발표된 알고리듬 보다 좋은 성능을 보였다. 아울러 보다 심층깊은 알고리듬의 성능을 확인하기 위하여, 다양한 멀티클래스 환경, 페이딩 모델, 그리고 인접한 서브캐리어를 블록 단위로 묶어서 자원할당을 하여, 실질적 환경과 여러환경속에서 알고리듬 성능 및 개선을 확인하였다. 제 4 장에서는 밧데리량의 제한이 있는 모바일 단말기들에 대한 자원할당으로, 어떻게 하면 모든 유저들의 밧데리 소모를 평준화하여 전체적인 밧데리 잔량에 대한 오랜 사용을 보장 할 수 있는지를 구하는 자원할당 연구를 하였다. 즉 밧데리가 곧 소모완료 예상되는 사용자를 찾아서 그 사용자의 밧데리 소모량을 최소화 하는 것이다. 군에서는 밧데리를 많이 사용하고 재충전에 대한 제한 요소가 발생 할 수 있음으로 이러한 경우를 가정하였다. 따라서 밧데리용량의 제한이 있는 사용자들에게 좋은 채널의 서브캐리어를 먼저 할당함으로써, 전송파워의 소모를 최소화 하는 것이다. 마찬가지로 최적의 솔루션을 찾기 위해 라그랑지안 최적화 이론을 이용하고, 얻어진, 서브캐리어 할당 솔루션을 이용하여 반복 알고리듬을 제안하였다. 제안한 알고리듬은 기존 알고리듬보다 밧데리 잔량의 오랜 사용을 보장함으로써, 전체적으로 모든 사용자들이 오랜 통화시간을 보장하였다. 아울러 기존알고리듬은 밧데리 잔량이 제일 적은 사용자에게 채널할당의 우선순위를 너무 높게 함으로써 자원할당의 불공평한 할당을 보여주고 이에 따른 전체 전송 파워소모량의 높은 증가 현상을 보였다. 반면 제안한 알고리듬은 이러한 현상을 보이지 않고, 전체전송파워측면에서도 좋은 성능을 보였다. 제 5 장에서는 셀룰러 네트워크에서 상호 통신(애드혹 또는 메쉬)이 가능한 자원할당을 연구하였다. 현 시스템은 단말기간의 직접 통신을 허락하지 않고 있으나 군에서는 유사시 기지국을 거치지 않고 단말기간 직접 통화을 함으로써 통화 반경과 통신 생존성을 높일 수 가 있다. 이 자원할당은 셀 전체를 관리하는 기지국의 역할과 아울러 상호통신이 이루어지는 구간을 클러스터로 정의 할 때 클러스터를 관리하는 클러스터 헤드 단말기의 역할을 자원할당 측면에서 연구하였다. 하나의 클러스터에 소모되는 전체적인 전송파워의 소모를 최소화 하기 위해 계층적 구조의 자원할당 알고리듬을 제안하였다. 첫번째로는 기지국에서 운용하는 알고리듬으로서 클러스터안에 각 링크에 소모되는 전송파워의 제한과 파워소모의 효율성을 고려하여 각 링크의 서브캐리어 숫자를 정하는 것이다. 기지국은 이 서브캐리어 숫자를 이용하여 각 링크의 전송파워의 제한을 위반하지 않도록 조정하는 역할을 한다. 이는 주파수 재사용을 하는 다른 클러스터들에게 간섭현상을 줄여주는 효과가 있다. 다음은 클러스터 헤드 단말기가 운용하는 알고리듬으로, 기지국에서 정해진 각 링크의 서브캐리어 숫자를 기반으로 각 링크에 특정 서브캐리어를 할당하는 알고리듬이다. 클러스터헤드의 자원할당 알고리듬은 라그랑지안 최적화이론를 바탕으로 구해진 서브캐리어 할당솔루션을 기반으로 한다. 하지만 반복알고리듬이 아닌 간단한 알고리듬으로서 성능측면에서 채널을 고려하지 않은 알고리듬 보다 보다 전체 전송 파워 소모 측면에서 좋은 성능을 보이며, 또한 전송파워 제한 위반율이 현저히 줄어드는 결과를 보였다. 아울러 필요한 대역폭만큼을 각 링크에 할당함으로써, 불필요한 대역폭 사용을 줄였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 09028
형태사항 viii, 86 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이재숭
지도교수의 영문표기 : Hwang-Soo Lee
지도교수의 한글표기 : 이황수
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학전공,
서지주기 References : p. 84-86
주제 Resource Allocation;Multiuser OFDM;Military communications;Subcarrier;power minimization
자원할당;다중사용자 직교주파수분할 시스템;군 통신;서브캐리어;파워 최소화
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