KR100623000B1 - Method of Cost-based adaptive resource allocation in OFDMA systems - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원할당방법에 있어서, a) 비용함수를 이용하여 각각의 사용자가 전송할 하위패킷을 정렬하고, 상기 정렬된 하위패킷을 각각의 부채널에 할당하는 단계; 및 b) 상기 부채널의 상태에 따라서 각각의 파워를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, a cost function based adaptive resource allocation method of an orthogonal frequency division multiple access system includes a) arranging subpackets to be transmitted by each user using a cost function, and assigning the sorted subpackets to respective subchannels. Assigning; And b) allocating respective powers according to the state of the subchannels.

직교주파수, OFDMA, 부채널, 파워Quadrature Frequency, OFDMA, Subchannel, Power

Description

직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원 할당 방법{Method of Cost-based adaptive resource allocation in OFDMA systems} Method of Cost-based Adaptive Resource Allocation in OFDMA Systems             

도 1은 직교 주파수 분할 다중 접속 (OFDMA) 시스템의 구조도.1 is a structural diagram of an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system.

도 2는 채널 품질에 따른 서로 다른 파워량을 할당하는 워터-필링(Water-filling) 기법의 개념도.2 is a conceptual diagram of a water-filling technique for allocating different amounts of power according to channel quality.

도 3은 서비스 품질을 서로 다른 보장 수준으로 고려하였을 때와 고려하지 않았을 때의 각 부채널의 데이터 처리율.3 shows the data throughput of each subchannel with and without considering quality of service at different guarantee levels.

도 4는 두 개의 지연 민감 실시간 트래픽의 서비스 품질을 각각 두 개의 보장 수준 (0.01, 0.03)으로 설정 하였을때 최대 허용 지연을 초과할 확률.4 is the probability of exceeding the maximum allowable delay when the quality of service of two delay sensitive real-time traffic is set to two guarantee levels (0.01, 0.03), respectively.

도 5는 각 지연 민감 실시간 트래픽의 서비스 품질을 각각 두 개의 보장 수준 (0.01, 0.03)으로 설정 하였을때 평균 지연 시간.5 is an average delay time when the quality of service of each delay sensitive real-time traffic is set to two guarantee levels (0.01, 0.03), respectively.

도 6은 각 데이터 전송률 민감 트래픽의 목표량과 제안된 자원 할당 기법으로 얻은 결과의 비교.6 is a comparison of the target amounts of each data rate sensitive traffic and the results obtained with the proposed resource allocation scheme.

본 발명은 무선 통신 시스템의 매체 접근 제어 및 물리 계층을 포함하는 하위 계층에서 서비스 품질을 보장하기 위한 기법에 관한 연구로, 더욱 상세하게는 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 하위 계층에서 각 사용자의 서비스 품질과 채널 품질을 동시에 반영하는 비용 함수를 사용하여 부채널을 할당하는 방법과 이를 이용하여 시스템에서 효율적으로 구현하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for guaranteeing quality of service in a lower layer including a media access control and a physical layer of a wireless communication system. More specifically, the quality of service of each user in a lower layer of an orthogonal frequency division multiple access system The present invention relates to a method for allocating subchannels using a cost function that simultaneously reflects and channel quality, and a method for efficiently implementing the system using the same.

직교 주파수 분할 다중(OFDM) 방식은 무선 채널의 다중 경로에서 생기는 열화를 극복할 수 있으며 이로 인해 광대역 고속 통신 시스템에 적합한 특성을 가짐으로써 차세대 무선 네트워크의 물리계층으로 각광 받아 왔다. 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 방식은, 무선에서는 단일 사용자 환경의 전송 기법으로 고려 되어왔으나 휴대 인터넷이나 차세대 이동 통신 시스템 등의 차세대 시스템에서 다중 사용자 환경에 대해 다양하게 연구되어 왔으며, 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 시스템으로써 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 방식의 장점을 가지면서 다중 사용자 환경을 고려하게 되었다. 이로써, 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 시스템은 다수의 사용자가 다중 경로 무선 채널 환경에서 고속의 전송 속도를 보장할 수 있으며, 기존의 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 방식에서 연구되었던 채널 상태 및 전송 가능한 파워 등에 기반한 적응형 변조 및 코딩 (AMC)을 사용 할 수 있게 되었으며 이는 전송 가능한 데이터 처리율을 높이고 데이터 전송 속도에 기반한 서비스 품질을 높이는 데 기여했다. 일반적으로, 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 할당 가능한 하위 계층의 자원은 주파수 분할된 "부채널"과 각 부채널에 할당되는 "파워"이며, "부채널"은 단수 또는 복수개의 부 반송파로 구성되어 있으며 "파워"는 정해진 부채널에 파워를 할당함으로 인해서 생기는 데이터의 할당을 포함하여 정의된다.Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) can overcome the deterioration of multiple paths of wireless channels, which has made it suitable for wideband high-speed communication systems. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been considered as a transmission technique for a single user environment in wireless, but has been variously studied for a multi-user environment in next-generation systems such as portable Internet and next-generation mobile communication systems. As an (OFDMA) system, the multi-user environment has been considered while taking advantage of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). As a result, the Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) system can guarantee a high transmission speed for a large number of users in a multipath wireless channel environment, and the channel state and transmitability that have been studied in the conventional Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) scheme can be guaranteed. Adaptive modulation and coding (AMC) based on power, etc. has been made available, which has contributed to higher transmittable data throughput and higher quality of service based on data rates. In general, resources of an assignable lower layer of an orthogonal frequency division multiple access system are frequency division "subchannels" and "powers" allocated to each subchannel, and the "subchannels" are composed of a single or a plurality of subcarriers. And "power" is defined to include the allocation of data resulting from the allocation of power to a given subchannel.

하지만, [표 1]에서 볼 수 있듯이 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 대표적인 종래 기술은 수학적 최적화 기법을 이용하여 문제를 해결함으로써, 목표로 하는 서비스 품질의 대상은 전송 속도만 고려되었으며 전송 속도를 보장함에 있어서도 다양한 종류의 전송속도 제한을 유연하게 지원할 수 없으며 최적화 해를 구하는 과정의 계산량도 부채널의 수에 따라서 기하 급수적으로 증가하게 된다. However, as shown in [Table 1], the typical prior art of the orthogonal frequency division multiple access system solves the problem by using a mathematical optimization method, so that the target of the target quality of service is considered only the transmission speed and ensures the transmission speed. In addition, various kinds of data rate limitations cannot be flexibly supported, and the computational complexity of the optimization solution increases exponentially with the number of subchannels.

따라서, 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템을 이용하여 다수 사용자에게 그들이 필요로 하는 지연 민감, 전송 속도 민감, 최대 노력(best-effort: BE) 등 다양한 서비스 품질을 시스템 구현 가능한 방법으로 제공하기 위해서는 다양한 서비스 품질에 대해서 적은 계산량으로 유연하게 대처하면서 시스템 전체 전송 처리율을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있는 방법이 필요하다.Therefore, in order to provide various users with various quality of service such as delay sensitivity, transmission speed sensitivity, and best-effort (BE) to the multiple users using orthogonal frequency division multiple access system, There is a need for a method that can flexibly cope with a small amount of computation and maintain a system-wide transmission throughput above a certain level.

제안자proponent C.Y. Wong et al.C.Y. Wong et al. W. Rhee et al.W. Rhee et al. J. Jang et al.J. Jang et al. Z. Shen et al.Z. Shen et al. 목표goal 시스템 전체 전송 속도를 일정하게 유지하면서 시스템 사용 파워의 최소화Minimize system usage power while maintaining a consistent system-wide transfer rate 각 사용자의 최저 전송속도를 만족시키면서 전체 전송 처리율 최대화Maximizes overall transmission throughput while meeting each user's lowest transmission rate 총 전송 처리율 (각 사용자 용량의 합)의 최대화Maximize total transfer throughput (sum of each user's capacity) 각 사용자의 전송 속도 비례를 만족하면서 전체 전송 처리율 최대화Maximizes overall transfer throughput while satisfying each user's transfer rate proportionality 해결방안Solutions 최적화 부채널 할당Optimized subchannel allocation 최적화 부채널 할당Optimized subchannel allocation 최적화 부채널 할당Optimized subchannel allocation 최적화 파워 할당Optimize power allocation

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 종래 기술이 가지고 있는 전송 속도에 관한 단일 서비스 품질만을 제공하는 한계와 복잡한 최적화 과정을 극복하여, 다수 사용자에게 지연민감, 전송속도 민감, 최대 노력 서비스 등의 다양한 서비스 품질을 손쉽게 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to solve the above problems, to overcome the limitations and complex optimization process that provides only a single quality of service related to the transmission speed of the prior art, delay sensitivity, transmission speed to multiple users It is to easily provide various quality of service such as sensitive and maximum effort service.

본 발명의 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원할당방법은 a) 비용함수를 이용하여 각각의 사용자가 전송할 하위패킷을 정렬하고, 상기 정렬된 하위패킷을 각각의 부채널에 할당하는 단계; 및 b) 상기 부채널의 상태에 따라서 각각의 파워를 할당하는 단계를 포함한다.In the cost function-based adaptive resource allocation method of the orthogonal frequency division multiple access system of the present invention, a) using a cost function to arrange subpackets to be transmitted by each user, and assigning the sorted subpackets to each subchannel step; And b) allocating power according to the state of the subchannel.

본 발명에서 상기 단계 a)는 a1) 모든 사용자에 대하여 사용자 k의 부채널 n에 대한 채널품질을 갱신하고, 모든 사용자에 대하여 하위패킷 j의 서비스 품질 상태를 갱신하는 단계; a2) 모든 하위 패킷 j에 대하여, 비용함수를 이용하여 사용자 k가 소유하는 하위패킷 j의 부채널 n에 대한 비용을 산출하는 단계; a3) 상기 산출된 비용에 따라서 큰 순서로 정렬하는 단계; a4) 가장 큰 비용을 가지는 사용자 k의 하위패킷 j에게 부채널 n을 할당하고, 상기 할당된 부채널을 할당 가능한 부채널에서 제외하며, 상기 할당된 하위 패킷을 할당할 하위 패킷 리스트에서 제외하는 단계; 및 a5) 상기 할당 가능한 부채널과 하위패킷이 존재하지 않을 때까지 상기 단계 a4)를 되풀이하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the step a) may include: a1) updating the channel quality for the subchannel n of the user k for all users, and updating the quality of service state of the lower packet j for all users; a2) calculating, for all subpackets j, the cost for subchannel n of subpackets j owned by user k using a cost function; a3) sorting in large order according to the calculated cost; a4) allocating subchannel n to subpacket j of user k having the highest cost, excluding the allocated subchannel from an assignable subchannel, and excluding the allocated subpacket from a list of subpackets to be allocated ; And a5) repeating step a4) until the assignable subchannel and subpacket are not present.

본 발명에서 상기 비용함수(CQ)는

Figure 112004042697118-pat00001
로 정의되는 것이 바람직하다.In the present invention, the cost function (C Q ) is
Figure 112004042697118-pat00001
It is preferred to be defined as.

본 발명에서 상기 파워할당은 워터-필링(water-filling)기법에 의한 것이 바람직하다.In the present invention, the power allocation is preferably by a water-filling technique.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하며, 사용하는 용어 및 기호는 다음과 같이 정의한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Detailed descriptions of well-known functions and configurations that are determined to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted, and terms and symbols used will be defined as follows.

* 하위계층: 매체 접근 제어 계층 및 물리 계층Lower layer: media access control layer and physical layer

* 부채널 (Subchannel): 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 단수 또는 복수개의 반송파로 이루어진 부 반송파 집합* Subchannel: Subcarrier set consisting of one or more carriers in an orthogonal frequency division multiple access system

* 파워: 각 부채널에 할당되는 파워로 할당된 파워는 변조 방식에 따른 전송 데이터 량으로 환산될 수 있으며, 부채널 n에 할당되는 파워를 Pn으로 표현* Power: The power allocated to each subchannel can be converted into the amount of transmission data according to the modulation method, and the power allocated to subchannel n is expressed as P n .

* 비용함수 (CQ): 고려하는 서비스 품질이나 채널 품질에 따른 비용을 수치로 나타내는 함수로써 수학식 1과 같이 정의되며, 수치의 값이 높을수록 높은 우선순위를 가짐을 의미* Cost function (C Q ): A function that represents the cost according to the service quality or channel quality to consider, which is defined as in Equation 1, and the higher the value, the higher the priority.

* 비용 (Cost): 비용 함수를 통해서 산출된 수치로써 cos tj (k),n는 하위 패킷 j(사용자 k의 패킷)가 부채널 n에 대해서 가지는 비용을 나타냄* Cost: A value calculated from the cost function, where cos t j (k), n represents the cost that the lower packet j (packet of user k) has for subchannel n

* 지연 민감 (Delay-sensitive) 서비스: 패킷이 발생되어 목적지에 송신되는 데 까지 걸리는 지연시간에 대한 제한이 있는 서비스Delay-sensitive service: A service that has a limit on how long it takes for a packet to be sent to its destination.

* 전송 속도 민감 (Data rate-sensitive) 서비스: 패킷의 평균 전송량에 일정 제한이 있는 서비스* Data rate-sensitive service: A service that has a certain limit on the average amount of packets sent.

* 최대 노력 (Best-effort) 서비스: 서비스 품질을 보장해야 하는 패킷에 먼저 자원을 할당하고 남은 자원을 통해서 제공되는 서비스로써 서비스 품질을 보장 받을 수 없는 서비스* Best-effort service: A service that allocates resources to packets that need to guarantee quality of service first and then provides them through the remaining resources.

* N: 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 부채널 수* N: number of subchannels in orthogonal frequency division multiple access system

* K: 하나의 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템 네트워크에 존재하는 전체 사용자 수* K: total number of users in one orthogonal frequency division multiple access system network

* 할당 단위: 하나의 부채널을 통해서 전송 가능한 최소 단위의 데이터 량* Allocation Unit: Minimum amount of data that can be transmitted through one subchannel

* 하위 패킷: 상위 계층에서 발생한 패킷이 하위 계층에서 할당 단위로 쪼개어져 상위 계층에서 부여된 서비스 품질을 상속받은 하나의 할당 단위 패킷* Lower packet: One allocation unit packet that inherits the quality of service granted by the upper layer because the packet generated at the upper layer is divided into allocation units at the lower layer.

* 필요 서비스 품질: 상위 계층에서 패킷이 처음 발생될 때 부여받은 서비스 품질로써, 시스템에 의해서 제공되어야 하는 서비스 품질* Quality of Service Required: The quality of service granted when a packet is first generated at a higher layer, which should be provided by the system.

* 서비스 품질 상태 (QS: Quality-of-service Status): 발생된 패킷이 제공받은 서비스나 지연된 시간 등 변화된 환경을 고려하여 특정 시점에서 평가된 상태로 qsj는 하위패킷 j의 서비스 품질 상태를 나타냄* Quality-of-service Status (QS): A state in which the generated packet is evaluated at a specific point in time in consideration of a changed environment such as a service provided or a delayed time, and qs j represents a quality state of a subpacket j.

* 부채널 품질 (CS: Channel Status): 특정 시점에서 평가된 부채널의 상태 로써 크기가 클수록 같은 데이터를 적은 에너지로 전송할 수 있음을 의미하고, csn는 부채널의 채널 품질을 csk,n은 사용자 k에 대한 부채널 n의 채널 품질을 의미* Subchannel quality (CS: Channel Status): means that the size as the state of the sub-channel evaluation at a particular point in time the greater can transmit the same data with less energy, cs n is the channel quality of the subchannel cs k, and n Denotes the channel quality of subchannel n for user k

* 프레임: 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 물리계층 전송 심볼* Frame: Physical Layer Transmission Symbol in Orthogonal Frequency Division Multiple Access System

* 프레임 주기: 전송 심볼이 반복되는 주기로써, 매번 자원 (부채널, 파워) 할당을 실시* Frame period: It is a cycle in which transmission symbols are repeated, each time resource (sub-channel, power) allocation

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 하향링크 전체를 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing an entire downlink of an orthogonal frequency division multiple access system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 기지국 송신기에서는 각 사용자에게 전송되어질 패킷의 서비스 품질 상태(QS)와 미리 확보된 각 사용자에 따른 부채널 품질(CS)을 고려하여, '부채널 및 파워 할당 기법'을 통해서 각 부채널에 적절한 하위 패킷이 다중화 되어 전송된다. 각 사용자는 직교 주파수 분할 다중 시스템을 통하여 전송된 프레임을 복조하고 본인의 정보를 다시 복조 해낸다. Referring to FIG. 1, a base station transmitter considers a quality of service (QS) of a packet to be transmitted to each user and a subchannel quality (CS) according to each user secured in advance. Sub-packets appropriate for each subchannel are multiplexed and transmitted. Each user demodulates a frame transmitted through an orthogonal frequency division multiplexing system and demodulates its own information again.

본 발명에서 가정한 시스템 모델을 다음과 같다. 하나의 기지국에 접속한 총 사용자 수는 k이며 각 사용자는 전송할 하위 패킷을 항상 가지고 있고, 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 총 부채널의 수는 n개로 가정한다. The system model assumed in the present invention is as follows. It is assumed that the total number of users connected to one base station is k, each user always has lower packets to transmit, and the total number of subchannels in the orthogonal frequency division multiple access system is n.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 부채널 및 파워할당 과정을 두 개의 분리된 과정으로 진행한다. 이는 지연 민감 서비스 등의 수치화가 어려운 서비스나 다수의 서로 다른 특성을 가진 서비스 들이 동시에 존재할 때, 매번 수학적 최적화 가정을 통해서 계산할 경우 생기는 복잡한 계산량으로 인한 구현 불가능성을 낮추는 데 크게 도움이 된다. As shown in FIG. 1, the present invention proceeds with two separate processes of subchannel and power allocation. This greatly helps to reduce the impossibility of implementing complicated computational calculations each time, which is difficult to quantify, such as delay sensitive services or services with many different characteristics.

먼저, 부채널 할당 과정에서는 각 사용자의 하위 패킷의 서비스 품질 상태 (qsj)와 부채널 품질(csk,n)을 반영하는 수식(1)의 비용함수(CQ)를 이용하여 큰 순서로 정렬하여 최대 크기의 비용을 가지는 하위 패킷 j(사용자 k의 하위패킷)부터 그 비용 cos tj (k),n의 해당 부채널을 할당한다. First, in the subchannel allocation process, the cost function (C Q ) of Equation (1) reflecting the quality of service (qs j ) and the subchannel quality (cs k, n ) of each user's lower packet is in a large order. It allocates the corresponding subchannel of the cost cos t j (k), n from the lower packet j (the lower packet of user k) having the maximum cost.

Figure 112004042697118-pat00002
Figure 112004042697118-pat00002

여기서 f(·)는 함수를 의미하고 CQ는 최소한 상기 수학식 1과 같이 서비스 품질 상태 (qsj)와 부채널 품질 (csk,n)의 두 가지 파라미터를 포함해야 한다. Here, f (·) means a function and C Q should include at least two parameters of a quality of service state (qs j ) and a subchannel quality (cs k, n ) as shown in Equation 1 above.

하나의 하위패킷이 특정 부채널에 할당되면 그 하위 패킷과 부채널은 할당과정에서 제외되고, 남은 하위 패킷의 비용들로 할당과정은 반복되게 된다. 위의 과정을 통하여 각 사용자가 가지는 비용의 크기 순서대로 부채널을 할당받아서 모든 부채널이 할당된 후 마치게 된다. When one subpacket is allocated to a specific subchannel, the lower packet and the subchannel are excluded from the allocation process, and the allocation process is repeated at the costs of the remaining subpackets. Through the above process, subchannels are allocated in the order of the cost of each user, and all subchannels are allocated.

본 발명에서 제안된 부채널 할당 기법은 다음과 같이 정리될 수 있고, 매 프레임마다 반복된다.The subchannel allocation scheme proposed in the present invention can be summarized as follows and repeated every frame.

우선 사전준비 단계로써, 모든 사용자에 대하여, 사용자 k의 부채널 n의 채널품질 (csk,n)을 갱신하고, 모든 사용자에 대하여, 하위패킷 j의 서비스 품질 상태 (qsj)를 갱신한다.First, as a preliminary preparation step, for all users, the channel quality (cs k, n ) of subchannel n of user k is updated, and the service quality state (qs j ) of lower packet j is updated for all users.

다음은 비용산출단계로써, 모든 하위 패킷 j에 대하여, 하위 패킷 j(사용자 k소유)의 부채널 n에 대한 비용, cos tj (k),n 를 상기 수학식 1의 비용함수를 이용하여 산출한다.Next, as a cost calculation step, for all subpackets j, the cost for subchannel n of subpacket j (owning user k), cos t j (k), n is calculated using the cost function of Equation 1 above. do.

이 후, 산출된 비용에 따라서 큰 순서로 정렬하고, 가장 큰 비용 cos tj (k),n을 가지는 하위 패킷 j(사용자 k)에게 부채널 n을 할당하며, 할당된 부채널을 할당 가능한 부채널에서 제외하고, 할당된 하위 패킷을 할당할 하위 패킷 리스트에서 제외하며, 할당 가능한 부채널과 하위패킷이 있는 동안 반복하여 모든 부채널이 할당되는 순간까지 반복한다.Subsequently, the subchannels are allocated to the lower packet j (user k) having the largest cost cos t j (k), n, and the subchannels are allocated according to the calculated cost. Except in the channel, the allocated subpacket is excluded from the list of subpackets to be allocated, and iterates while allocating subchannels and subpackets are repeated until all subchannels are allocated.

부채널 할당에 이은 파워 할당 기법에서는 주어진 부채널 할당과 할당 가능한 총 파워량의 제한 조건에서 전체 시스템의 전송 속도를 최대화 할 수 있도록 도 2와 같이 워터-필링(Water-filling) 방식에 의해서 파워를 할당한다. 부채널 n에 할당된 파워는 pn으로 표시되고, 이는 파워 할당 레벨 (Water-filling level)과 Γ/csn와의 차이가 할당되는 파워를 나타낸다. 여기서 csn은 부채널에 대한 채널 품질 상태, Γ는 변조 방식 및 전송 제한 (목표 Bit error rate 등)에 따른 상수이며, 채널 상태가 좋을수록 큰 값을 가지므로 채널 상태가 좋을수록 많은 파워가 할당된다. In the power allocation scheme following the subchannel allocation, power is supplied by a water-filling scheme as shown in FIG. 2 to maximize the transmission speed of the entire system under the constraint of a given subchannel allocation and the total amount of power that can be allocated. Assign. The power allocated to subchannel n is denoted by p n , which represents the power to which the difference between the water-filling level and Γ / cs n is allocated. Where cs n is the channel quality state for the subchannel, Γ is a constant according to the modulation method and transmission limit (target bit error rate, etc.), and the better the channel state, the larger the value. do.

이하, 제안된 기법의 예로서 다음과 같이 지연 민감, 전송 속도 민감, 최대 노력 서비스 등 크게 세가지의 서비스 군이 있는 경우를 고려하여, 비용 함수를 이용한 부채널 할당과 그 구현 방법의 성능을 살펴본다.Hereinafter, as an example of the proposed scheme, the subchannel allocation using the cost function and the performance of the implementation method will be described in consideration of the case where there are three service groups such as delay sensitivity, transmission rate sensitivity, and maximum effort service. .

< 지원서비스군 ><Support Service Group>

지연 민감, 전송 속도 민감, 최대 노력 서비스의 세 개의 군으로써 각 지연 민감과 전송속도 민감 서비스의 경우에는 서로 다른 지연 제한과 전송속도 제한을 가질 수 있다. 성능 평가에 사용된 네트워크 트래픽 환경은 표 2에서 보여진다. 지연 민감 서비스와 전송 속도 민감 서비스는 다음과 같은 서비스 품질의 제한으로 정의 된다. 지연 민감 서비스의 제한 조건은 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.There are three groups of delay sensitive, rate sensitive, and maximum effort service. Each delay sensitive and rate sensitive service can have different delay limit and rate limit. The network traffic environment used for the performance evaluation is shown in Table 2. Delay-sensitive services and rate-sensitive services are defined by the following quality of service limitations. The constraint of the delay sensitive service is defined as in Equation 2 below.

Figure 112004042697118-pat00003
Figure 112004042697118-pat00003

여기에서, Wj는 하위패킷 j의 지연, Tj는 최대 허용 지연, σj는 지연초과 허용확률이다. 따라서, 패킷 j의 지연이 정해진 최대 허용지연을 초과할 확률을 지연초과 허용 확률 σj이하로 유지해야 한다. 본 예에서는 σj를 0.03과 0.01의 두가지 상황을 고려하고 결과도에서 다룬다.Where W j is the delay of the subpacket j, T j is the maximum allowable delay, and σ j is the delay exceeded probability. Therefore, the probability that the delay of the packet j exceeds the predetermined maximum allowable delay must be kept below the delay allowable probability σ j . In this example, σ j is considered in the result diagram considering two situations, 0.03 and 0.01.

전송 속도 민감 서비스의 제한 조건은 수학식 3과 같이 정의된다.The constraint of the transmission rate sensitive service is defined as in Equation 3.

Rj≥drj R j ≥dr j

여기서, Rj는 하위 패킷 j의 전송속도, drj는 목표 전송 속도이다. 따라서, 패킷 j의 전송속도가 정해진 목표 전송 속도 drj이상 되어야 한다.Here, R j is the transmission rate of the lower packet j , dr j is the target transmission rate. Therefore, the transmission rate of the packet j must be equal to or higher than the predetermined target transmission rate dr j .

서비스 군Service group 지연 민감Delay sensitive 전송 속도 민감Baud rate sensitive 최대 노력Maximum effort 발생 트래픽Generated traffic 6464 128128 6464 128128 384384 6464 서비스 목표Service goals 지연9msDelay 9 ms 지연4.5msDelay 4.5 ms 전송속도 64Transmission speed 64 전송속도 128128 baud 전송속도 384Baud rate 384 없음none 사용자 수Number of users 1212 2020 1212 88 44 88

< 비용함수 ><Cost function>

예에서는 3세대 이동 통신의 무선 스케쥴링에 이용되었던 M-LWDF 방식함수를 이용한다. 본 비용함수는 수학식 4와 같이 주어진다.In the example, we use the M-LWDF method that was used for wireless scheduling of 3G mobile communication. This cost function is given by Equation 4.

Figure 112004042697118-pat00004
Figure 112004042697118-pat00004

Figure 112004042697118-pat00005
,
Figure 112004042697118-pat00006
로 정의된다. 여기서,
Figure 112004042697118-pat00007
는 평균 품질 상태이며 β는 임의의 상수이다. 또한,
Figure 112004042697118-pat00008
는 현재 채널의 품질상태로써, k의 부채널 n에 대한 채널 품질 상태를 나타낸다.
Figure 112004042697118-pat00005
,
Figure 112004042697118-pat00006
Is defined as here,
Figure 112004042697118-pat00007
Is the average quality state and β is an arbitrary constant. Also,
Figure 112004042697118-pat00008
Is the quality state of the current channel, and represents the channel quality state for subchannel n of k.

수학식 4에서 보여지는 지연 Wj는 지연시간이지만, 전송속도 민감 서비스도 남은 하위패킷의 양과 전송해야할 패킷의 비율을 이용하여 손쉽게 지연 시간으로 표현 가능하다.Delay W j shown in Equation 4 is a delay time, but a speed-sensitive service can also be easily expressed as a delay time using the amount of remaining subpackets and the ratio of packets to be transmitted.

<직교 주파수 분할 다중 접속 시스템 하위 계층 모델과 무선 채널 모델><Orthogonal Frequency Division Multiple Access System Lower Layer Model and Radio Channel Model>

본 예에서는 휴대 인터넷의 유력한 하위 계층 모델인 IEEE 802.16a 의 매체접근제어 및 물리계층을 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 예제 모델로 사용한다. In this example, the media access control and the physical layer of IEEE 802.16a, a powerful lower layer model of the portable Internet, are used as an example model of an orthogonal frequency division multiple access system.

* 반송파 주파수: 2.3* Carrier frequency: 2.3

* 전체 반송파 개수: 2048 * Total carriers: 2048

* 전체 부채널 개수 (N): 8* Total number of subchannels (N): 8

* 변조 방식: QPSK, 16QAM, 64QAM* Modulation method: QPSK, 16QAM, 64QAM

* 무선 채널 모델: Modified SUI modelWireless Channel Model: Modified SUI model

* 목표 Bit error rate: 10-6* Target Bit error rate: 10-6

* 파워 제한: 평균 Power Limit: Average

< 성능평가결과 ><Performance Evaluation Results>

도 3은 서비스 품질을 고려하지 않은 상태에서 각 부채널에서 최고 좋은 채널 성능을 보이는 사용자에게 파워만을 할당하여 얻은 전송 처리율 결과 (1Mbps)와 서비스 품질을 두 가지 확률 (δj=0.03, 0.01)로 고려하였을 때의 전송 처리율을 비교하였다. 사용자의 서비스 품질을 전혀 고려하지 않았을 때에 비해서 약 27% 정도 의 전송 처리율이 감소함을 볼 수 있으나, 이는 일반적으로 서비스 품질을 고려할 때 발생되는 희생이다. 3 shows transmission throughput results (1 Mbps) obtained by assigning power only to users who exhibit the best channel performance in each subchannel without considering quality of service, and quality of service with two probabilities (δ j = 0.03, 0.01). The transmission throughput was considered when compared. It can be seen that the transmission throughput is reduced by about 27% compared with not considering the quality of service of the user at all, but this is generally a sacrifice in consideration of quality of service.

도 4에서는 두 가지 지연 민감 서비스(64Kbps, 128Kbps) 최대 허용 지연 시간 초과 확률이 미리 설정해 놓은 초과 허용 확률(δj=0.03, 0.01)을 만족하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5에서는 사용자에 따른 평균 지연 시간이 최대 허용 지연 시간을 만족하고 고르게 분포함을 알 수 있다.In FIG. 4, it can be seen that two delay sensitive services (64 Kbps and 128 Kbps) maximum allowable delay time exceeding probability satisfy a preset allowable probability (δ j = 0.03, 0.01). In addition, in FIG. 5, it can be seen that the average delay time according to the user satisfies the maximum allowable delay time and is evenly distributed.

도 6에서는 연속된 시물레이션에서 반복 횟수에 따라서 설정된 목표 전송 속도(drj)에 따른 실제 전송 속도의 변화를 살펴 본 것으로, 시도 횟수에 상관없이 설정된 목표 전송 속도는 유지됨을 알 수 있다.In FIG. 6, the change in the actual transmission rate according to the target transmission rate dr j is set according to the number of repetitions in the continuous simulation, and it can be seen that the target transmission rate is maintained regardless of the number of attempts.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below I can understand that you can.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 지금까지 보장하기 어려웠던 지연 민감 서비스 등의 서비스와, 다양한 서비스가 동시에 존재하는 상황에서 수학적으로 어려웠던 접근을 비용함수를 사용하여 부채널을 할당함으로써, 비교적 간단하게 서비 스 품질을 만족시킬 수 있다. As described above, the present invention provides a relatively simple service by allocating a subchannel using a cost function to a service such as a delay sensitive service that has been difficult to guarantee until now and a mathematically difficult approach in the presence of various services at the same time. Quality can be satisfied.

또한, 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템이 휴대 인터넷이나 차세대 이동 통신 시스템 등의 주요한 기반 기술로 고려되고 있는 시점에서, 그 중요성은 증폭 된다. In addition, the importance is amplified when the orthogonal frequency division multiple access system is considered as a major foundation technology such as portable Internet and next generation mobile communication system.

Claims (4)

직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원할당방법에 있어서, In the Cost Function Based Adaptive Resource Allocation Method for Orthogonal Frequency Division Multiple Access System, a) 비용함수를 이용하여 각각의 사용자가 전송할 하위패킷을 정렬하고, 상기 정렬된 하위패킷을 각각의 부채널에 할당하는 단계; 및a) arranging subpackets to be transmitted by each user using a cost function, and assigning the sorted subpackets to each subchannel; And b) 상기 부채널의 상태에 따라서 각각의 파워를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원할당방법.b) A cost function based adaptive resource allocation method of an orthogonal frequency division multiple access system, comprising: assigning each power according to the state of the subchannel. 제 1항에 있어서, 상기 단계 a)는The method of claim 1, wherein step a) a1) 모든 사용자에 대하여 사용자 k의 부채널 n에 대한 채널품질을 갱신하고, 모든 사용자에 대하여 하위패킷 j의 서비스 품질 상태를 갱신하는 단계;a1) updating channel quality for subchannel n of user k for all users, and updating the quality of service state of subpacket j for all users; a2) 모든 하위 패킷 j에 대하여, 비용함수를 이용하여 사용자 k가 소유하는 하위패킷 j의 부채널 n에 대한 비용을 산출하는 단계;a2) calculating, for all subpackets j, the cost for subchannel n of subpackets j owned by user k using a cost function; a3) 상기 산출된 비용에 따라서 큰 순서로 정렬하는 단계;a3) sorting in large order according to the calculated cost; a4) 가장 큰 비용을 가지는 사용자 k의 하위패킷 j에게 부채널 n을 할당하고, 상기 할당된 부채널을 할당 가능한 부채널에서 제외하며, 상기 할당된 하위 패킷을 할당할 하위 패킷 리스트에서 제외하는 단계; 및a4) allocating subchannel n to subpacket j of user k having the highest cost, excluding the allocated subchannel from an assignable subchannel, and excluding the allocated subpacket from a list of subpackets to be allocated ; And a5) 상기 할당 가능한 부채널과 하위패킷이 존재하지 않을 때까지 상기 단계 a4)를 되풀이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원할당방법.a5) repeating the step a4) until the assignable subchannel and the subpacket are not present; and a cost function based adaptive resource allocation method of an orthogonal frequency division multiple access system. 제 1항에 있어서, 상기 비용함수(CQ)는The method of claim 1, wherein the cost function C Q is
Figure 112004042697118-pat00009
로 정의되는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원할당방법.
Figure 112004042697118-pat00009
Cost function-based adaptive resource allocation method of orthogonal frequency division multiple access system, characterized in that defined as.
단, 상기 csk,n은 부채널의 품질을 나타내고, 상기 qsj는 서비스의 품질상태를 나타낸다.However, cs k, n represents the quality of the subchannel, and qs j represents the quality of the service.
제 1항에 있어서, 상기 파워할당은 워터-필링(water-filling)기법에 의한 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 비용함수 기반 적응형 자원할당방법.The method of claim 1, wherein the power allocation is performed by a water-filling technique.
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