In this dissertation, the uplink resource management schemes for LTE-based internet of things (IoT) network were studied. Unlike the downlink transmission, where all the IoT devices can synchronize with the eNodeB through a synchronization channel (SCH) transmitted from the eNodeB, uplink transmissions from IoT devices are not initially synchronized because of the round trip delay, which varies depending on the location of each IoT device. Therefore, in order for IoT devices who are not connected to the eNodeB and try to establish a uplink with the eNodeB, non-synchronized random access is required where a resource request and an uplink synchronization acquisition are simultaneously performed at the eNodeB. Since it is not possible to know which subset of IoT devices are going to request resource at a certain moment in advance, the uplink random access should be operated in a contention-based manner. Therefore, it is worthwhile to investigate random access schemes that can improve the random access procedure, where the random access procedure is considered as one of the main bottlenecks for supporting IoT networks with numerous IoT devices. Therefore, in this dissertation, we propose two random access schemes which are compatible with the current LTE yet superior to the current LTE and other previously proposed LTE-based RA schemes. Both random access schemes utilized the fact that the IoT devices are likely to have no mobility. In detail, the proposed random access schemes utilize the round-trip delay time which is assumed to be known to each device. It is worth mentioning that both schemes are compatible with the current LTE systems with minor software modification or update. Among two newly proposed random access schemes, the first is named energy efficient random access (EERA). EERA not only increases the number of IoT devices that can be accommodated with the same amount of resources, but also makes IoT devices to consume less energy than existing random access schemes. The second is named time-shifted random access (TSRA). TSRA utilizes the characteristics of the Zadoff-Chu (ZC) sequences, where ZC sequences are used in LTE due to its constant amplitude zero auto-correlation characteristics. In detail, TSRA utilizes a time-shifted preamble, where a ZC sequence is additionally cyclically shifted (or time-shifted) at each IoT device. While the EERA is the scheme that focuses on reducing energy consumption, the TSRA can be applied with various objectives: enhancing fairness, reducing energy consumption, even supporting prioritized heterogeneous IoT networks. In this dissertation, the collision probability of the proposed two random access schemes are mathematically analyzed. Also, the fairness and energy consumption are also derived. The mathematically derived equations are verified by computer simulations. Furthermore, through computer simulations, the performance of the proposed random access schemes are evaluated in terms of collision probability, the average random access time, the average energy consumption, and the number of IoT devices in each random access opportunity.
본 논문은 LTE 기반의 사물인터넷 네트워크를 위한 상향 링크 자원 관리 기법에 관해 다룬다. 사물인터넷 기기가 기지국이 보내는 동기채널을 통해 동기를 맞출 수 있는 하향링크와 달리, 상향링크에서는 사물인터넷 기기의 위치에 따라 다른 왕복 지연이 발생하게 된다. 따라서 기지국에 연결되어 있지 않은 사물인터넷 기기가 기지국과 링크를 형성하기 위해서는 자원 요구와 상향링크 동기획득이 동시에 필요한 비동기 랜덤 접속을 하게 된다. 이 때 매 순간마다 어떤 사물인터넷 기기가 자원을 요구해올지 알 수 없는 상황이므로 상향링크 랜덤 액세스는 경쟁체제로 운용된다. 최대한 많은 사물인터넷 기기의 상향링크를 동시에 지원하기 위하여, 상향링크 형성 과정에서의 병목현상이 일어날 수 있는 랜덤 접속 기법을 연구하는 것은 매우 중요한 문제이다. 따라서 본 논문에서는 사물인터넷 네트워크의 특성을 활용하여 현재의 LTE에서 사용되는 랜덤 접속방안과, 다른 연구자들이 제안한 LTE 기반의 랜덤 접속 방안보다 뛰어난 두가지 랜덤 접속 방안을 제안하였다. 두가지 랜덤 접속 방안 모두 사물인터넷 기기들은 유동성이 없다는 것에 착안하여 사전에 알려진 왕복 지연 시간을 활용한 방안으로써 기존의 LTE 시스템에서 약간의 소프트웨어 업데이트를 통해 적용가능한 방안이다. 첫번째 제안 방안은 에너지 효율이 높은 랜덤 접속 방안으로써, 기존 방안보다 더 적은 에너지 소모로 수용 가능한 사물인터넷 기기 숫자를 늘일 수 있는 방안이다. 두번째 제안 방안은 LTE에서 쓰이는 자도프-추 배열의 특성을 활용하여 사물인터넷 기기에서 자도프-추 배열을 추가적으로 순환 이동 시킨, 시간 이동된 프리앰블을 사용함으로써 램덤 접속 성능을 높일 수 있는 랜덤 접속 방안이다. 첫번째 제안인 에너지 효율이 높은 랜덤 접속 방안이 에너지 소모를 줄이는 것에 특화된 방법인 반면 두번째 제안방안인 시간 이동된 랜덤 접속 방안은은 공정성이나 에너지 효율을 목적으로 운용할 수 있을 뿐만 아니라, 우선순위가 다른 이기종 사물인터넷 네트워크 등에도 적용될 수 있는 방안이다. 본 논문에서는 제안하는 두가지 랜덤 접속 방안의 성능을 충돌확률 분석을 통해 수학적으로 분석하였고, 각각 에너지 소모와 공정성에 대하여 분석하였다. 컴퓨터 모의 실험을 통하여 수식을 통한 분석을 검증하였고, 기존 랜덤 접속 방안들과의 성능을 충돌 확률, 평균 랜덤 접속을 위해 소모하는 시간, 평균 에너지 소모, 평균적으로 접속하는 사물인터넷 기기의 숫자 등을 다각적으로 비교하였다.
