Next generation mobile communication systems will allow many different services with various demands on data rate and delay. For those systems, the fixed radio resource management (RRM) applied to voice service or low rate data service systems may not be applicable to ensure efficient utilization of the radio spectrum. Dynamic resource allocation such as scheduling and dynamic channel allocation are necessary in order to cope with large variations in data rate and to achieve high spectral efficiency. This thesis studies the scheduling policy over a shared channel and subchannel allocation in multi-carrier systems.
First, we consider a packet scheduling problem over a shared channel in wireless networks. We present a modified proportional fiar scheduling and investigate the trade-off between system throughput and proportional fairness by asymptotic analysis. Also, subject to the constraint to guarantee individual quality of service (QoS) requirements, a parameter optimization scheme to increase the system throughput is proposed.
Secondly, a proportional fair scheduling which has beer proposed for high data rate (HDR) system which is a single carrier transmission system also known as 1xEv/DO is extended to a multi-carrier transmission systems. HDR can be considered as a special case when the number of carriers is one. The proposed proportional fair scheduling for multicarrier systems only requires information on the user rates selected by a scheduler, not those of all users, thereby reducing the computational complexity.
Thirdly, we consider a subcarrier allocation problem for cellular orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) systems with adaptive modulation and coding (AMC). A linear programming (LP) formulation subject to the constraints of quality-of-service (QoS) and limited bandwidth was made to provide the allocation scheme for the optimal system throughput. We propose an optimal subcarrier allocation scheme which allow cell coordination to assign subcarrier reuse factor and modulation scheme for each subcarrier. Moreover, to reduce the complexity of implementation, a simplified cell coordination scheme is suggested. The capacity increase can be achieved by properly selecting modulation scheme and reuse factor of each subcarrier, which is validated by computational results.
무선통신시스템에서 고속 데이터 전송 수요가 증가하면서 시스템 용량 증가와 Quality-of-Service (QoS) 보장을 위한 무선 자원 관리 기법의 중요성이 대두되고 있다. 특히 패킷 데이터 서비스와 직교주파수분할 다중접속 (OFDMA, Orthogonal Frequency Domain Multiple Access) 방식을 고려한 시스템에서는 효율적인 스케줄링과 부채널 할당 기법의 개발이 요구된다.
본 논문에서는 무선통신 시스템 자원 관리 기법 중 최적 스케쥴링과 부채널 할당 방안을 제시한다. 먼저, HDR (High Data Rate) 시스템에서 시스템 수율과 자원의 균등 배분을 고려한 비례균등 (Proportional Fair Scheduling) 스케쥴링 기법이 있다. 비례균등 스케쥴링은 시스템 수율과 균등한 자원 분배 측면을 모두 고려한 기법이다. 비례균등 스케쥴링은 상대적으로 좋은 채널 환경에서 데이터를 전송할 수 있다는 장점이 있지만 QoS를 적극적으로 반영하지 못한다. 따라서, 시스템 수율과 QoS를 고려한 스케쥴링 방안으로 변형최대지연우선(Modified Largest Weight Delay First) 기법이 제안되어 있다. 본 논문에서는 공유 채널을 이용한 스케쥴링 방안으로 변형 비례균등 (Modified Proportional Fair) 스케쥴링 기법을 제안한다. 제안된 방안은 QoS를 만족하면서 최대 시스템 수율을 얻는 것을 목표로 한다. 모든 사용자의 QoS가 만족되는 상황에서는, 채널 부분의 비중을 높여 스케쥴링을 하는 방안을 제안한다. 즉, 모든 사용자의 QoS가 보장되면서 보다 좋은 채널 상태의 사용자가 데이터를 전송하도록 하여 시스템 수율이 증가한다.
차세대 이동통신 시스템에서의 고효율 데이터 전송을 위해 다중전송 채널 시스템이 부각되고 있으며, 효율적 운용을 위해 확장된 비례균등 스케쥴링 기법을 제안한다. 단일 전송 채널 시스템에 적용된 비례 균등 방식을 각 채널에 적용하는 방안이 있을 수 있으나, 유선망에서 제안된 비례 균등 개념의 정의에 의거, 본 논문에서는 비례 균등 스케쥴링을 다중 전송 채널 시스템에 적용할 수 있는 방안을 유도하고, 제안한다. 채널 수와 사용자 수가 증가하면서 복잡도가 커지는 단점이 있지만, 제안된 방안으로 자원의 균등 분배와 함께 시스템 수율의 증가와 데이터 전송 지연을 단축할 수 있는 장점이 있다.
마지막으로, 다중셀 OFDMA 시스템에서의 부채널 할당 방안을 제안한다. OFDMA시스템에서 간섭량을 조절하는 것은 셀 경계에 있는 사용자의 QoS 보장과 전체 시스템 용량을 증가시키는 데 중요한 역할을 한다. 이에 관련된 기존 연구로는 주파수분할 다중접속 (FDMA, Frequency Division Multiple Access) 방식의 주파수 재사용률 분할(Reuse Partitioning)이 있다. 여기에서는 경계 지역의 사용자에게는 주파수 재사용률이 큰 주파수 대역을 할당하여 신호대 간섭비 (SIR, Signal-to-Interference Ratio)를 크게 하는 것이다. 이 방법은 단일 전송률, 단일 서비스에는 적합하나 다양한 형태의 서비스가 요구되는 시스템에는 적합하지 않으며, 사용자의 분포가 균일하다는 가정하에서 제시된 것이다. 본 논문에서는 적응변조(AMC, Adaptive Modulation and Coding) 기법이 적용되고 사용자마다 다른 요구 QoS, 그리고 셀마다 다른 사용자의 분포를 고려한 시스템에 적합한 부채널 할당 기법을 제안한다. 부채널들이 여러 재사용 계수로 할당이 가능하다는 가정을 하고 최적해를 구하기 위해 선형프로그래밍 (LP, Linear Programming) 기법을 도입하여 문제를 설정하였으며, 해를 구함으로써 사용자의 QoS를 보장하고 시스템 수율을 최대로 하는 할당 방안이 결정된다. 최적해를 통한 부채널 할당은 시스템 수율이 최대가 되는 장점이 있지만, 구현을 위한 오버헤드가 크다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 이어서 단순화된 부채널 할당 방안을 제안한다. 최적해를 구하기 위해서 이동국은 각 재사용 계수별 전송률을 보고하지만, 단순화된 기법에서는 주파수 효율이 가장 큰 재사용 계수만을 보고한다. 이로 인해 오버헤드와 연산량이 크게 줄 수 있다. 각 셀의 재사용 계수별 요구 부채널 수가 같은 경우, 최적해를 이용한 할당 방법과 단순화된 기법을 이용한 할당 방법은 같은 시스템 수율을 얻는다. 그러나, 각 셀의 재사용 계수별 요구 부채널 수가 다른 경우는 최적해를 이용한 할당 방법이 더 큰 시스템 수율 성능을 보인다. 이것은 최적해를 통한 방법은 모든 주파수 재사용 계수에 대한 채널상태 정보를 모두 이용함에 반해, 단순화된 기법은 각 사용자 별로 하나의 재사용 계수 채널 정보만을 이용하기 때문이다.
향후 연구 과제로서, 변형 비례균등 스케쥴링 기법에서는 보다 실제적인 트래픽 모델을 적용한 성능 분석과 다양한 환경 (사용자 분포, 요구 전송률) 에서 M-LWDF와의 성능 비교가 요구된다. 다중 전송 채널 시스템에서 비례균등 스케쥴링 기법에 관해서는, 실재 시스템에의 구현을 위해 복잡도를 줄이는 방안에 대한 연구가 필요하다. 사용자와 부채널을 각각 몇 개의 군으로 나누어 복잡도를 줄이고, 실재 트래픽을 발생시켜 성능을 분석하면 구현 측면에서 유용한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 다중셀 OFDMA시스템에서의 부채널 할당 방안에 대해서는, 현실적인 알고리즘 적용 지연(채널상태 보고로부터 부채널 할당 받기까지)에 따른 성능 열하에 대한분석이 필요하다. 실제적인 적용을 위해서 각 재사용 계수별 채널상태 측정에 적합한 파일럿 구조 등도 제안되어야 할 것이다.
