Traditionally, compensation for uncertain wireless fading phenomena is one of main challenging issues in wireless/mobile communications. Many researchers have studied to improve reliability in physical and data link layers and to enhance resource efficiency in medium access control (MAC) layer. First, in order to improve reliability, various channel coding and retransmission schemes have been developed in physical and data link layers, respectively. Both schemes improve the reliability by transmitting additional redundant information, while throughput performance is sacrificed. Therefore, a hybrid automatic repeat request (HARQ) scheme, which is a combination of forward error correction (FEC) and ARQ schemes, has been developed for reliability improvement with reasonable throughput performance in a nosy channel. The HARQ schemes enable fast retransmission with time diversity, power, and coding gains. Next, dynamic link adaptation techniques have been developed in a single point-to-point (P2P) link in order to enhance the resource efficiency in MAC layer, while user scheduling techniques have been proposed in multi-user environments. Both techniques significantly enhance the resource efficiency through dynamic channel adaptation using channel status information (CSI). Although the HARQ schemes and channel adaptation techniques are performed in different layers, both of them can contribute to improvement of the resource efficiency. Consequently, they need to be jointly considered in wireless/mobile communications.
In this dissertation, we investigate optimal link adaptation and user scheduling problems of HARQ based systems in order to improve the resource efficiency. First, we propose a link adaptation scheme for maximizing throughput of HARQ based system with non-real time (NRT) traffic in a single (P2P) link with time-correlated fading channels. Our analysis and numerical results show that more accurate link adaptation considering both HARQ retransmission and time-correlation factor can significantly improve throughput performance. Second, we propose a link adaptation scheme for minimizing resource usage of HARQ based system with real-time (RT) traffic and quality of service (QoS) constraints in a single P2P link. Since the RT traffic has deterministic arrival rate, additional throughput improvement over the arrival rate is not required. Therefore, resource usage minimization is a more efficient approach for RT traffic than throughput maximization. Under this objective, numerical results indicate that our proposed link adaptation scheme is able to achieve minimum resource usage satisfying given delay and packet loss rate constraints. Third, in multi-user environments, user selection within the system should be considered as well as rate selection for a communication link of each user. Thus, we propose a joint rate adaptation and user scheduling (JRAUS) policy in multi-user environments where each user suffers from time-correlated fading channels. Our analysis and numerical results show that there is a tradeoff between user selection and rate selection according to the number of users and time-correlation factors in a scenario with symmetric user distribution and homogeneous mobility. However, in a heterogeneous mobility scenario, our proposed JRAUS policy focusing on rate selection always outperforms the conventional JRAUS policies focusing on user selection. Finally, we extend the JRAUS problem to that in multi-cell environments. In multi-cell environments, inter-cell interference (ICI), which determines the received signal quality of each user, is another key factor. Since ICI is determined by scheduling decision of base stations (BSs) in other cells, it is a normally unknown factor at the moment of scheduling decision and rate selection. Therefore, we propose a JRAUS policy based on statistics of independently varying unknown ICI. The numerical results show that our proposed JRAUS policy outperforms the conventional JRAUS policies based on Gaussian approximation of ICI and based on average ICI statistics.
무선/이동 통신에서 불확실한 무선 페이팅 현상에 대한 보상은 전통적인 주요 연구 주제 중 하나이다. 지금까지 많은 연구자들이 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 통신의 신뢰도를 향상시키고자 하는 연구를 수행했고, 다중 접속 제어 (MAC) 계층에서 자원 효율성을 높이고자 하는 연구를 진행하였다. 첫째로, 통신의 신뢰도를 향상시키기 위해서, 다양한 채널 코딩 기법들과 재전송 기법들이 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 각각 제안되었다. 두 기법들은 모두 추가적으로 잉여 정보를 더 전송해 줌으로써 통신의 신뢰도를 향상시키지만, 이로 인해 전송 수율에서 희생이 발생한다. 그래서 전방향 에러 정정 (FEC) 기법과 자동 재전송 요청 (ARQ) 기법이 결합된 하이브리드 재전송 (HARQ) 기법이 제안되었고, 이 기법은 합리적인 전송 수율을 제공하면서도 잡음이 있는 채널에서 통신의 신뢰도를 향상시킨다. 또한, 하이브리드 재전송 기법은 시간 다이버시티, 파워 이득, 코딩 이득을 제공하면서도 물리 계층에서 빠른 재전송을 가능하게 한다. 다음으로, 다중 접속 제어 (MAC) 계층에서 자원 효율성을 향상시키기 위해서 동적 링크 적응 기술들이 단대단 통신에 대해서 개발되었다. 그리고 다중 사용자 환경에서는 다중 접속 제어 (MAC) 계층에서 사용자 스케쥴링 기술들이 제안되었다. 이 두가지 기술들은 채널 상태 정보 (CSI)를 이용한 동적 채널 적응을 통해서 자원 효율성을 상당히 향상시킨다. 비록, 하이브리드 재전송 (HARQ) 기법들과 채널 적응 기술들은 서로 다른 계층에서 수행되지만, 두 가지 기술 모두 자원 효율성을 증대시키는데 기여할 수 있다. 따라서 무선/이동 통신에서는 이 두가지 기술들을 함께 접목하여 고려할 필요가 있다.
본 학위논문에서는 하이브리드 재전송 (HARQ) 기반 시스템에서 자원 효율성을 높이기 위한 최적의 링크 적응 및 사용자 스케쥴링 문제를 다룬다. 첫째로, 시간 연관 페이딩 채널을 겪는 단대단 통신 링크에서 비실시간성 (NRT) 트래픽을 가진 하이브리드 재전송 (HARQ) 기반 시스템의 전송 수율 최대화를 위한 최적의 링크 적응 기법을 제안한다. 수학적 분석과 수치적 결과들은 하이브리드 재전송 (HARQ)과 시간 연관 인자를 함께 고려한 보다 정확한 링크 적응이 상당한 전송 수율의 향상을 가져올 수 있음을 보여준다. 둘째로, 단대단 통신 링크에서 서비스 질 (QoS) 제약을 가진 실시간성 (RT) 트래픽에 대한 하이브리드 재전송 (HARQ) 기반 시스템의 자원 사용량 최소화를 위한 최적의 링크 적응 기법을 제안한다. 실시간성 (RT) 트래픽은 정해진 패킷 발생률을 가지기 때문에 패킷 발생률 이상의 추가적인 전송 수율 향상은 필요가 없게 된다. 따라서 실시간성 (RT) 트래픽에 대해서는 자원 사용량 최소화가 전송 수율 최대화보다 효율적인 접근 방법이 된다. 이러한 목적 하에서, 수치적 결과는 제안한 링크 적응 기법이 전송 지연과 패킷 손실율 제약을 만족하면서도 자원 사용량을 최소화할 수 있음을 보여준다. 셋째로, 각 사용자가 시간 연관 페이딩 채널을 겪는 다중 사용자 환경에서 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링의 합동 (JRAUS) 정책을 제안한다. 균등 사용자 분포와 동종의 이동성 시나리오에서 수학적 분석과 수치적 결과들은 사용자 선택과 전송률 선택 문제가 사용자 수와 시간 연관 인자에 따라서 트레이드 오프 관계를 가진다는 것을 보여준다. 하지만 이종의 이동성 시나리오에서는 전송률 선택에 초점을 맞춘 제안한 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링 합동 (JRAUS) 정책이 사용자 선택에 초점을 맞춘 기존의 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링 합동 (JRAUS) 정책보다 항상 더 좋은 성능을 얻는다. 마지막으로, 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링 합동 (JRAUS) 문제를 다중 셀 환경으로 확장한다. 다중 셀 환경에서는 다른 셀의 기지국에 의한 셀간 간섭 (ICI)이 또다른 주요 인자가 된다. 셀간 간섭 (ICI)은 다른 셀에서 기지국의 사용자 스케쥴링에 따라서 결정되기 때문에 일반적으로 스케쥴링과 전송률 선택 시점에서 알려지지 않고 매 시점에서 독립적으로 변하는 인자가 된다. 그러므로 여기에서는 독립적으로 변하는 알려지지 않은 셀간 간섭 (ICI)의 통계적 특성을 이용하는 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링 합동 (JRAUS) 정책을 제안한다. 수치적 결과는 제안한 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링 합동 (JRAUS) 정책이 기존의 셀간 간섭 (ICI) 항에 대한 가우시안 근사 기반의 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링 합동 (JRAUS) 정책과 평균 셀간 간섭 (ICI) 값을 기반으로 하는 전송률 적응 및 사용자 스케쥴링 합동 (JRAUS) 정책보다 더 좋은 성능을 성취함을 보여준다.
