KR100843310B1 - Ｏｆｄｍａ／ｔｄｄ 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법을 제공하기 위한 것으로,GPF 알고리즘으로 부채널을 할당 받을 사용자를 선택하는 단계; 다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중, 상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장하면서, 상기 선택된 사용자를 제외한 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률이 가장 낮은 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하는 단계; 기지국 내의 각각의 사용자가 제공받을 수 있는 데이터 전송률 및 각 사용자가 요구하는 데이터 전송률의 크기를 고려하여 각 부채널에 전력 할당을 수행하는 단계;를 포함하여 구성함으로서, 802.16e OFDMA/TDD 셀룰러 시스템 시스템에서 섹터 처리량과 공평성을 향상시키기 위한 하향링크 및 상향링크 동적 자원 할당 알고리즘을 제안할 수 있게 되는 것이다.
OFDMA/TDD, 802.16e, 상/하향링크, 동적채널할당, 동적전력할당

Description

ＯＦＤＭＡ／ＴＤＤ 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법{Method for adaptive resource allocation of down link in OFDMA/TDD cellular system}
도 1은 일반적인 802.16e OFDMA TDD 시스템의 프레임(Frame) 구조를 보인 구조도이다.
도 2는 종래 동적 자원 할당 알고리즘의 분류를 보인 도면이다.
도 3은 종래 준 최적 동적 자원 할당 알고리즘의 분류를 보인 도면이다.
도 4는 도 3에서 종래 BABS(Bandwidth Assignment based on the SNR) 알고리즘을 보인 도면이다.
도 5는 도 3에서 종래 RCG(Rate Craving Greedy) 알고리즘을 보인 도면이다.
도 6은 도 5에서 종래 RCG 알고리즘을 통한 부채널 할당 예를 보인 도면이다.
도 7은 종래 BCS(Best Channel Selection per user considering fairness) 알고리즘의 첫 번째 단계를 보인 도면이다.
도 8은 종래 BCS 알고리즘의 두 번째 단계를 보인 도면이다.
도 9는 종래 상향링크 동적 자원 할당 기법인 FLR(Full Loading Range) 알고 리즘을 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상향링크의 동적 자원 할당 방법을 보인 흐름도이다.
도 11은 도 10에서 상향링크 Channel Sounding Frame 구조를 보인 구조도이다.
도 12는 도 11의 상향링크 Channel Sounding 적용 방법을 보인 도면이다.
도 13은 도 11의 상향링크 Channel Sounding 의 시퀀스 생성에 사용되는 Golay 시퀀스를 보인 도면이다.
도 14는 도 13의 Golay 시퀀스의 Offset 을 결정해주는 표이다.
도 15는 도 10에서 전력 제어를 상세히 보인 상세흐름도이다.
도 16은 도 15에서 사용자가 서비스 받은 데이터 전송량에 따른 Rate Adaptive Inner Closed-loop 전력제어 및 Margin Adaptive Inner Closed-loop 전력제어를 보인 도면이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법을 보인 흐름도이다.
도 18은 도 17에서 GPF와 ASA 알고리즘에 의한 FASA(Fairness insured Aggressive Subchannel Allocation) 알고리즘의 상세흐름도이다.
도 19는 도 18의 동적 채널 할당 알고리즘인 FASA 알고리즘을 상세히 보인 도면이다.
도 20은 도 19에서 FASA 알고리즘의 부채널 할당 예를 보인 도면이다.
도 21은 도 17에서 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘의 개요를 보인 흐름도이다.
도 22는 도 21에서 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘의 첫 번째 단계인 사용자 그룹화의 일 예를 보인 도면이다.
도 23은 도 21에서 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘의 두 번째 단계인 잉여 전력 수거의 일 예를 보인 도면이다.
도 24는 도 21에서 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘의 세 번째 단계인 잉여 전력의 재할당의 일 예를 보인 도면이다.
도 25는 도 21의 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘의 전력 증감 크기를 결정한 근거를 보인 도면이다.
도 26은 도 21의 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘에서 사용자가 할당 받은 부채널의 개수에 따른 전력 할당량을 정해주는 방법을 보인 도면이다.
도 27은 본 발명에 의해 하향링크 동적 채널 할당을 수행한 후, 각 알고리즘들의 Sector Throughput을 보인 도면이다.
도 28은 본 발명에 의해 하향링크 동적 채널 할당 및 동적 전력 할당 수행한 후, 각 알고리즘들의 Sector Throughput을 보인 도면이다.
도 29는 본 발명에 의해 하향링크 동적 채널 할당만을 수행한 경우와 동적 전력 할당을 추가로 수행한 경우의 공평성을 비교한 도면이다.
도 30은 하향링크 동적 자원 할당 알고리즘과 Max CIR 알고리즘과의 공평성 을 비교한 도면이다.
도 31은 인접 셀 간섭에 따른 상향링크와 하향링크의 채널 정보 상이성을 보인 그래프이다.
도 32는 종래의 FLR 알고리즘에 ITU-R M.1225 Vehicular Pathloss 모델을 적용한 거리별 부채널 할당 개수를 보인 그래프이다.
도 33은 본 발명에 의해 Preamble을 이용한 하향링크 동적 자원 할당과 Channel Sounding 을 통한 상향링크 동적 자원 할당을 모두 지원하는 OFDMA TDD Frame 구조를 보인 구조도이다.
도 34는 상향링크 Round-robin 알고리즘과 상향링크 FLR 알고리즘 및 전송전력 최소화/전송률 최대화 Inner Closed-loop 전력 제어 알고리즘을 통한 Round-robin 알고리즘의 공평성을 비교한 도면이다.
도 35는 상향링크 Channel Sounding 을 이용하여 상향링크 채널정보를 얻은 후, 이를 이용하여 상향링크 동적 자원 할당을 수행한 결과를 FLR 알고리즘을 적용한 Round-robin 결과와 하향링크 채널정보를 이용하여 동적 자원 할당을 수행한 결과와 비교한 도면이다.
본 발명은 OFDMA/TDD(Orthogonal Frequency Division Multiple Access/Time Division Duplex) 셀룰러 시스템에 관한 것으로, 특히 802.16e OFDMA/TDD 셀룰러 시스템 시스템에서 섹터 처리량(Sector Throughput)과 공평성(Fairness)을 향상시키기 위한 하향링크 및 상향링크 동적 자원 할당 알고리즘을 제안하기에 적당하도록 한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상/하향링크의 동적 자원 할당 방법에 관한 것이다.
일반적으로 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식은 높은 전송 효율과 간단한 채널 등화 방식 때문에, 4 세대 이동통신 시스템에 적용하기 적절한 방식중의 하나로서 주목받고 있다. 또한 OFDM에 기반을 둔 다중 사용자 접속 방식인 직교 주파수 분할 다중 접속 (OFDM-FDMA) 방식은 각 사용자에게 서로 다른 서브 캐리어를 할당하는 다중 사용자 접속 방식으로서 사용자의 요구에 맞추어 다양하게 자원을 할당함으로서 다양한 QoS(Quality Of Service)를 제공할 수 있다는 장점을 가지고 있다. OFDMA 방식은 IEEE 802.16a 의 표준 물리계층이며, 한국에서 활발히 연구되고 있는 초고속 휴대 인터넷의 무선 접속 방식으로 채택된 상태이다.
그러나 OFDMA 기반 셀룰러 시스템의 구축을 위해서는 아직도 많은 부분에 대한 연구가 지속적으로 진행되어야 하는데, 예를 들면 OFDMA 셀룰러 시스템의 커버리지를 증대시키기 위한 셀 계획법 연구 및 효율적으로 무선 자원을 관리하여 셀 용량을 증대시키는 자원 할당 알고리즘에 대한 연구가 필요하다. 또한 셀룰러 시스템의 특성상, 효과적인 셀 탐색, 동기 알고리즘 개발이 필수적이다. 그리고 사용자의 채널 정보를 이용하여 Modulation Level 및 동적 채널 할당과 같은 Link Adaptation 및 적응 변조 기법 연구 역시 필요하다.
도 1은 802.16e OFDMA TDD 시스템의 Frame 구조이다. 하향링크는 전체 27개 Symbol로 구성되어 있으며, 그 중 맨 처음 Symbol은 Preamble 로 사용되고 최소 2 Symbol 이상으로 이루어진 MAP 메시지 구간이 다음에 위치하며, 나머지 최대 24개 Symbol 은 데이터 전송구간으로 사용된다. Preamble을 이용하여 기지국은 동기를 유지하고 사용자 별 각 부채널의 채널 정보를 얻을 수 있다. 상향링크는 전체 15개의 Symbol 로 구성되어 있으며, 그 중 맨 처음 3개 Symbol은 CQI(Channel Quality Indication) 로 사용되며, 이는 하향링크 Preamble 을 이용하여 측정된 사용자 별 각 부채널의 채널 정보를 기지국으로 전송해 주는 구간이다. 나머지 12개 Symbol 은 데이터 전송 구간으로 사용된다.
도 2는 동적 자원 할당 알고리즘의 분류다. 동적 자원 할당 알고리즘은 크게 최적 할당 방법과 준 최적 방법으로 나뉜다. 최적 할당 방법은 사용자가 요구하는 데이터 전송률을 만족시켜주는 부채널과 적절한 전력을 Lagrange Relaxation 을 통하여 동시에 구하는 방법으로써 복잡한 계산으로 인해 실제 시스템에서는 사용되지 않는다. 준 최적 할당 방법은 사용자에게 부채널을 먼저 할당한 후 그에 따른 적절한 전력을 할당해주는 방법으로써 최적 할당 방법에 비하여 계산량이 훨씬 적다는 장점이 있다. 준 최적 동적 자원 할당 방법은 전송 전력 최소화(Margin Adaptive) 알고리즘과 전송률 최대화(Rate Adaptive) 알고리즘으로 분류된다.
도 3은 준 최적 동적 자원 할당 알고리즘의 분류이고, 크게 동적 채널 할당 알고리즘과 동적 전력 할당 알고리즘으로 나뉜다. 동적 채널 할당 알고리즘은 공평 성이나 Throughput 또는 QoS (Quality of Service) 중 중요시하는 목적에 따라 세부 알고리즘으로 나뉜다. 동적 전력 할당 알고리즘은 최적 할당 알고리즘과 EBPU(Equal Band Power per User) 그리고 EBP(Equal Band Power) 로 나뉜다.
도 4는 동적 채널 할당 알고리즘 중 하나인 BABS 알고리즘의 수행 과정이며 다음 두 가지의 가정을 전제로 한다. 첫째, 시스템에 주어진 대역은 무한대이고, 따라서 모든 사용자가 자신이 요구하는 데이터 전송률을 만족할 수 있는 충분한 대역이 존재한다. 둘째, 상대적으로 소수의 부채널을 할당 받은 사용자보다 다수의 부채널을 할당 받은 사용자가 추가적으로 부채널을 할당 받을 때 소비되는 송신전력은 적다.
각 사용자로부터 피드백 받은 모든 부채널의 평균 채널값 이용하여 각 사용자가 현재 채널 상황에서 하나의 부채널로부터 제공받을 수 있는 전송률
Figure 112006069911556-pat00001
를 구해 각 사용자가 요구하는 전송률
Figure 112006069911556-pat00002
를 만족시켜줄 수 있는 부채널 수
Figure 112006069911556-pat00003
를 정해준다.
만약 각 사용자에게 할당될 부채널수
Figure 112006069911556-pat00004
의 총합이 전체 부채널 수를 넘을 경우 가장 적은 부채널을 할당 받은 사용자의 부채널 개수를
Figure 112006069911556-pat00005
의 총합이 전체 부채널 수를 넘지 않을 때까지 하나씩 취소시킨다. 이는 두 번째 가정과 관련된 것으로써 다수의 부채널을 할당 받은 사용자보다 적은 수의 부채널을 할당 받은 사 용자의 부채널을 취소시킴으로써 얻는 송신전력 이득이 크기 때문이다. 또한 만약 각 사용자에게 할당될 부채널 수
Figure 112006069911556-pat00006
의 총합이 전체 부채널 수보다 적을 경우, 가장 적은 추가 송신 전력 Gk 으로 부채널을 하나 더 할당할 수 있는 사용자에게
Figure 112006069911556-pat00007
의 총합이 전체 부채널 수와 동일해질 때까지 추가로 할당한다. 이런 과정을 통해 각 사용자에게 할당할 부채널 수를 구한다.
도 5는 RCG 알고리즘의 수행 과정이다. BABS 알고리즘을 통하여 각 사용자 별 할당받을 부채널 수
Figure 112006069911556-pat00008
가 정해진 후에는 사용자들에게 할당된 수만큼 채널 정보를 이용하여 부채널을 할당한다. RCG 알고리즘은 사용자들에게 부반송파를 할당하는 하향링크 준 최적 채널 할당 알고리즘 중의 한 방법이다. 각 부채널에서의 사용자들의 송신 전송률을 추정하는 방식을 이용하여, 송신 전송률의 총합을 최대로 만드는데 그 목적을 두고 있다.
기지국은 각 부채널 별로 최대 전송률로 전송할 수 있는 사용자에게 부채널을 할당한 후, 사용자 별 부채널의 수가 BABS 알고리즘을 통하여 미리 정해진
Figure 112006069911556-pat00009
보다 큰 경우, 부채널을 정해진 수만큼 할당 받지 못한 사용자 가운데 시스템 전체 전송률의 손실을 최소화 할 수 있는 사용자와 해당 부채널을 찾아 부채널 재할당을 수행한다.
도 6은 RCG 알고리즘을 통해 사용자들에게 부채널을 할당한 예이고, 수행 과 정은 다음과 같다.
1) 사용자 별로 BABS 알고리즘을 통하여 할당 받아야 할 부채널의 수가 2로 정해졌다고 가정한다.
2) 첫 번째 부채널에서 가장 높은 채널 이득을 보이는 첫 번째 사용자에게 해당 부채널을 할당한다.
3) 두 번째 부채널에서 가장 높은 채널 이득을 보이는 첫 번째 사용자에게 해당 부채널을 할당한다.
4) 세 번째 부채널부터 마지막 부채널까지 위와 같은 과정을 수행한다.
5) 첫 번째 사용자는 자신이 할당 받아야 할 부채널보다 더 많은 부채널을 할당 받았기 때문에 적게 받은 사용자에게 두 개의 부채널을 재할당 해줘야 한다.
6) 이 때, 전체적인 시스템의 손실을 최소로 하기 위하여 첫 번째 사용자의 첫 번째, 두 번째 부채널을 각각 네 번째 사용자와 두 번째 사용자에게 재분배해준다.
7) 세 번째 사용자도 첫 번째 사용자와 동일한 과정을 통해 부채널을 재분배 한다.
RCG 알고리즘은 전체적인 시스템의 손실을 최소로 하면서 모든 사용자에게 공평한 기회를 부여한다는 점에서 매우 뛰어난 알고리즘이다. 그러나 복잡한 부채널 할당과정을 두 번이나 반복적으로 수행해야 한다는 복잡도의 부담이 존재한다.
도 7은 BCS 알고리즘의 1 단계이다.
BCS 알고리즘은 BABS 알고리즘 대신 사용자의 실제적인 데이터 전송률을 고 려하여 공평성을 고려한 알고리즘이며 두 단계로 이루어진다.
도 7에서와 같은 첫 번째 단계는 사용자가 현재까지 할당 받은 전송률의 합과 사용자 별 요구하는 전송률의 비가 가장 적은 사용자를 선택한다. 도 7에서 네 명의 사용자가 모두 400 kbps 의 데이터 전송률을 요구하고 있다. 그 중 첫 번째 사용자가 현재까지 100 kbps 의 데이터를 할당 받았기 때문에 공평성을 고려하여 선택된다.
도 8은 BCS 알고리즘의 두 번째 단계로써 선택된 사용자에게 가장 좋은 데이터 전송률 보장해 주는 부채널을 할당해주는 과정이다. 도 8에서는 도 7의 첫 번째 단계를 통해 정해진 첫 번째 사용자의 부채널 중 여섯 번째 부채널의 채널이득이 가장 높음으로써 첫 번째 사용자에게 높은 데이터 전송률을 보장해줄 수 있기 때문에 기지국은 첫 번째 사용자에게 여섯 번째 부채널을 할당해준다.
도 9는 종래 상향링크 동적 자원 할당 기법인 FLR(Full Loading Range) 알고리즘의 개념을 나타낸 도면이다. OFDMA TDD 방식을 사용하는 시스템에서 단말기는 사용자 별로 다양한 데이터 전송률과 서비스 수준을 만족시키기 위하여 최소 하나의 부채널부터 최대일 때 부채널 전부를 사용할 수 있기 때문에 DAC 출력신호의 전력은 상향링크에 할당된 부채널수
Figure 112006069911556-pat00010
(Number of allocated Sub-channel) 에 따라 가변적이므로 단말기의 송신 전력은
Figure 112006069911556-pat00011
와 전력증폭기의 이득값에 따라서 결정된다. 따라서 OFDMA 시스템의 Power Control 은 기지국과 단말기 사이의 거 리 변화에 따른 Path Loss 및
Figure 112006069911556-pat00012
를 종합적으로 고려하여야 한다.
또한 단말기의 송신전력은 기지국보다 낮게 설계되기 때문에 단말기가 부채널 전부를 사용할 수 있는 최대거리 FLR(Full Loading Range) 제한을 동시에 고려해야 한다. 즉, FLR 이내에 있는 단말기는 기지국과 단말기 사이의 거리에 따라 전력증폭기의 값이 조절되고
Figure 112006069911556-pat00013
에 따라 DAC 출력신호의 전력이 비례하므로 CDMA 시스템과 동일한 방법으로 Open-loop Power Control 을 사용하면서 Closed-loop Power Control 을 수행할 수 있다.
그러나 FLR 바깥에서는 기지국과 단말기 사이의 거리가 증가하여도 전력증폭기의 이득은 최대값으로 고정되어 더 이상 증가하지 않으므로 상향링크 송신 전력은
Figure 112006069911556-pat00014
에 따라 변화되고,
Figure 112006069911556-pat00015
가 일정할 때는 기지국과 단말기 사이의 거리에 무관하게 송신 전력이 일정해진다. 따라서 FLR 바깥에서 송신한 상향링크 신호는 기지국 안테나에 수신되었을 때 부채널당 전력이 부족하여 Target SNR(Signal to Noise Ratio) 을 만족할 수 없는 문제점이 발생하며 이러한 문제점을 해결하기 위하여 부채널의 전력을 증가시키는 방식을 적용한다.
그러나 이동무선환경에서는 단말기의 수신신호는 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 뿐만 아니라 Path Loss, Multi-path Fading, Shadowing 등에 의해 영향을 받기 때문에 수신 전력은 8~12 dB 정도의 표준편차가 발생한다. 이 때문에 수신 SNR(Signal to Noise Ratio)을 이용하여 FLR 을 결정하는 방법은 아주 복잡하 고 정확성이 떨어져서 사용자 별 할당 받을 부채널의 수와 Power Control 의 부정확성을 증가시켜 다른 사용자에게 간섭을 유발하고 시스템의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 802.16e OFDMA/TDD 셀룰러 시스템 시스템에서 섹터 처리량과 공평성을 향상시키기 위한 하향링크 및 상향링크 동적 자원 할당 알고리즘을 제안할 수 있는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상/하향링크의 동적 자원 할당 방법을 제공하는데 있다.
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상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법은,GPF 알고리즘으로 부채널을 할당받을 사용자를 선택하는 단계; 다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중, 상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장하면서, 상기 선택된 사용자를 제외한 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률이 가장 낮은 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하는 단계; 기지국 내의 각각의 사용자가 제공받을 수 있는 데이터 전송률 및 각 사용자가 요구하는 데이터 전송률의 크기를 고려하여 각 부채널에 전력 할당을 수행하는 단계; 를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명, OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상/하향링크의 동적 자원 할당 방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상향링크의 동적 자원 할당 방법은, 도 10에 도시된 바와 같이, FLR 알고리즘을 통해 사용자별로 할당받을 수 있는 부채널의 개수를 정하는 제 1 단계(ST1)와; 상기 제 1 단계 후 첫 번째 프레임에서는 동적 채널 할당을 위한 채널 정보가 없으므로, 채널 정보가 필요없는 라운도-로빈 알고리즘으로 채널 할당을 수행하는 제 2 단계(ST2)와; 상기 제 2 단계 후 상향링크 채널 사운딩을 통해 측정된 상향링크 채널정보를 통해 동적 채널 할당을 수행하는 제 3 단계(ST3); 및 상기 제 3 단계 후 전력 제어를 수행하는 제 4 단계(ST4);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 단계는, 도 15에 도시된 바와 같이, 사용자가 요구한 데이터 전송률이 만족되었는지 판별하는 제 11 단계(ST21)와; 상기 제 11 단계에서 사용자가 요구한 데이터 전송률이 만족되지 않아서 요구하는 데이터 전송량 보다 적은 데이터를 전송한 사용자에게는 전송률 최대화 Inner Closed-loop 전력제어 알고리즘을 적용하는 제 12 단계(ST22); 및 상기 제 11 단계에서 사용자가 요구한 데이터 전송률이 만족되어서 요구하는 데이터 전송량보다 많은 데이터를 전송한 사용자에게는 전송 전력 최소화 Inner Closed-loop 전력제어 알고리즘을 적용하는 제 13 단계(ST13);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법은, 도 17에 도시된 바와 같이, GPF 알고리즘으로 사용자를 선택하는 제 21 단계(ST21)와; 상기 제 21 단계 후 ASA 알고리즘으로 동적 채널 할당을 수행하여 멀티유저 다이버시티 이득을 얻는 FASA 알고리즘을 수행하는 제 22 단계(ST22); 및 상기 제 22 단계 후 각 사용자가 서비스 받은 데이터 전송률과 채널 상황을 고려하여 Improved CHC 알고리즘을 통하여 동적 전력 할당을 수행하는 제 23 단계(ST23);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 22 단계는, 도 18에 도시된 바와 같이, 아직 다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중에서 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널을 찾는 제 31 단계(ST31)와; 상기 제 31 단계 후 부채널이 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률을 구하는 제 32 단계(ST32); 및 상기 제 32 단계에서 구한 데이터 전송률의 크기를 비교하여, 그 중 가장 작은 값을 가지는 부채널을 선택된 사용자에게 할당하는 제 33 단계(ST33);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 31 단계는,
Figure 112006069911556-pat00016
에 의하여 부채널을 찾고, 여기서
Figure 112006069911556-pat00017
는 선택된 사용자
Figure 112006069911556-pat00018
가 m 번째 부채널에서 보장 받을 수 있는 데이터 전송률이며, 전체 부채널 중 사용자
Figure 112006069911556-pat00019
에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널은
Figure 112006069911556-pat00020
이고, 이는 하나 이상으로 존재하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 32 단계는,
Figure 112006069911556-pat00021
에 의해 데이터 전송률을 구하고, 여기서
Figure 112006069911556-pat00022
는 선택된 사용자를 제외한 모든 사용자들의
Figure 112006069911556-pat00023
부채널에서 보장받을 수 있는 데이터 전송률의 합인 것을 특징으로 한다.
상기 제 23 단계는, 도 21에 도시된 바와 같이, 사용자를 그룹화하는 제 41 단계(ST41)와; 상기 제 41 단계 후 잉여 전력을 수거하는 제 42 단계(ST42); 및 상기 제 42 단계 후 수거한 잉여 전력을 재할당하는 제 43 단계(ST43);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 41 단계는, 요구하는 데이터 전송률보다 많은 데이터를 서비스 받은 사용자들을 제 1 그룹으로 지정하고, 요구하는 데이터 전송률보다 적은 데이터를 서비스 받은 사용자들을 제 2 그룹으로 지정하고, 열악한 채널 상황으로 인해 가장 낮은 MCS Level의 Target CINR 도 만족 못 하는 사용자들을 제 3 그룹으로 지정하 는 것을 특징으로 한다.
상기 제 42 단계는, 전력을 회수 당하는 사용자들의 현재 MCS Level을 낮추지 않도록 상황에 맞게 여러 단계로 나누어 조금씩 전력을 회수하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 43 단계는, 해당 사용자들 중 가장 높은 MCS Level 을 가진 사용자에게 우선적으로 전력을 할당하고, 전력의 소모를 막기 위해 여러 단계로 나누어 조금씩 전력을 재할당하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 43 단계는, 각 사용자가 할당 받은 부채널의 개수에 따라 할당 해줘야 할 전력을 결정하여 사용자들에게 잉여전력을 재할당해주는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상/하향링크의 동적 자원 할당 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 802.16e OFDMA/TDD 셀룰러 시스템 시스템에서 섹터 처리량과 공평성을 향상시키기 위한 하향링크 및 상향링크 동적 자원 할당 알고리즘을 제안하고자 한 것이다.
그래서 하향링크에서 제안된 FASA 알고리즘은 사용자의 순시적인 채널 상황과 서비스 받은 데이터 전송률을 동시에 고려하여 사용자를 선택하고, 선택된 사용자에게 가장 적절한 부채널을 할당해주는 동적채널할당 알고리즘이다. 또한 제안된 Improved CHC 알고리즘은 채널 상황기반으로 사용자들을 세 그룹으로 분류하고, 잉여전력의 수거 및 재할당을 통해 동적전력할당을 수행함으로써 시스템의 Throughput 및 Fairness 를 향상시킨다.
또한 상향링크에서는 채널 정보를 이용한 동적자원할당의 어려움을 언급하고, 거리 별 할당 부채널 개수를 정해주는 기존의 FLR 알고리즘과 전송전력 최소화 또는 전송전력 최대화 Inner-closed Loop Power Control 알고리즘을 적용하여 시스템의 Fairness 를 증가시키고 상향링크Channel Sounding 을 이용한 동적 자원 할당을 제안한다.
모의실험을 통해 하향링크 환경에서는 FASA 알고리즘이 Round-robin, BCS 알고리즘, 그리고 GPF 알고리즘 보다 Throughput 향상을 볼 수 있다. 그리고 FASA 알고리즘의 경우 Improved CHC 알고리즘을 통해 추가적인 Throughput 향상 및 높은 Fairness 의 향상을 볼 수 있다. 상향링크 환경에서는 FLR 알고리즘과 전송전력 최소화 또는 전송률 최대화 Power Control 을 통해 Throughput 향상을 볼 수 있고, 공평성 측면에서 높은 성능 향상을 볼 수 있다. 또한 상향링크 채널 정보를 이용한 동적 채널 할당을 수행함으로써 FLR 알고리즘이나 하향링크 채널 정보를 이용한 경 우보다 더 높은 Throughput 을 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상향링크의 동적 자원 할당 방법을 보인 흐름도이다.
그래서 상향링크의 동작 자원 할당을 위해 기존의 FLR 알고리즘을 통해 사용자별로 할당받을 수 있는 부채널의 개수를 정한다(ST1). 그리고 첫 번째 프레임에서는 동적 채널 할당을 위한 채널 정보가 없으므로, 채널 정보가 필요없는 라운드-로빈 알고리즘으로 채널 할당을 수행한다(ST2). 그리고 상향링크 채널 사운딩을 통해 측정된 상향 링크 채널 정보를 통해 동적 채널 할당을 수행한다(ST3). 그런 다음 Rate Adaptive Inner Closed-loop 전력 제어 알고리즘 또는 Margin Adaptive Inner Closed-loop 전력 제어 알고리즘을 적용하여 전력 제어를 수행하게 된다(ST4).
그리고 본 발명은 종래의 문제점을 극복하기 위하여 OFDMA 시스템의 Ranging 정보를 이용하여 FLR 을 결정하는 방법을 이용한다. OFDMA 시스템의 Uplink 수신기는 기지국 안테나에 수신된 단말기들이 송신한 신호에 대해서 FFT 를 수행한 후 각 사용자의 송신신호를 복조한다. 이때 기지국 안테나에 수신된 각 단말기들의 신호가 복조 기준시간으로부터 CP 구간 내에 도달하지 않으면 복조가 불가능해지며 복조기준시간으로부터 멀어질수록 채널 추정기의 성능이 감소하므로 단말기들의 송신신호는 가능한 기준시간 가까이 도달하도록 단말기의 송신시간을 제어하며 이러한 과정은 Ranging 을 통해서 이루어진다. 초기 Ranging 을 통하여 단말기의 송신타이밍을 결정한 후에는 주기적 Ranging 을 통하여 1초마다 단말기의 송신타이밍을 제 어한다. 즉, 도 10의 (a)는 FLR 알고리즘이 적용되지 않은 경우로써 FLR 밖에 위치하는 사용자들도 할당 받을 수 있는 부채널 수의 제한이 없다. FLR 밖에서는 송신전력은
Figure 112006069911556-pat00024
에 따라 변화하고
Figure 112006069911556-pat00025
가 일정할 때는 기지국과 단말기 사이의 거리에 무관하게 송신전력이 일정하기 때문에 Path Loss 가 증가하여 기지국 안테나에 수신된 신호의 전력이 부족하여 Required SNR 을 만족시키지 못한다. 도 10의 (b)는 FLR 알고리즘을 적용시킨 경우로써 FLR 밖에서는 단말기의 위치에 따라
Figure 112006069911556-pat00026
를 제한시키면 부채널당 전력을 증가시킴으로써 기지국 안테나에 수신되는 신호의 부채널당 전력을 일정하게 유지할 수 있으므로 단말기의 위치에 따라서
Figure 112006069911556-pat00027
와 PCG 이득을 제어하면 시스템의 상향링크 성능을 보장할 수 있다.
도 11은 사용자가 상향링크에서 Channel Sounding 파형을 전송하여 TDD 상호성의 가정 하에 기지국 대 사용자 채널 정보를 결정하는 신호방식을 설명하는 그림이다. 이 방법은 CSIT(Channel State Information Transmission) 가능 사용자만이 지원할 수 있고 또한 이를 통해 Closed-loop 전송 방식을 사용할 수 있다. 여기서 설명하는 방법을 통해 기지국은 전송 및 수신 하드웨어가 적절히 교정되는 경우상향링크 채널 정보를 측정하고, 측정된 정보를 통해 하향링크의 채널정보를 예측할 수 있다. 또한 사용자는 이동 환경에서 하향링크 채널 정보를 예측하기 위해 주기적으로 Sounding 신호를 전송하도록 명령을 받을 수 있다. Sounding 영역은 사용자가 사용하는 상향링크 Frame 구간에 존재하는 하나 이상의 OFDMA 심볼 구간 영역으 로서, Sounding 신호를 기지국으로 전송하여 기지국과 사용자 사이에 채널 정보를 빠른 시간 내에 결정하도록 한다. 각 Sounding 주파수 대역은 18개의 연속한 OFDMA 부반송파로 구성되며, 802.16e OFDMA TDD 시스템의 경우 데이터 부반송파의 수가 864 개 이므로 Sounding 영역은 최대 48 (864/18) 개의 Sounding 주파수 대역을 포함하고 있다. 또한 이 방법은 Preamble 을 이용하여 하향링크 채널 정보를 측정한 후, 이를 이용하여 하향링크 및 상향링크 동적 자원 할당을 수행하는 것보다 Latency 가 적다는 장점이 있다.
도 12는 Channel Sounding 수행 과정을 나타내고 있다. 하향링크 Frame 구간에 존재하는 UL-MAP 을 통해 사용자가 Sounding 구역 내에서 채널 정보를 전송해야 할 구간을 정해주고, 이를 통한 채널 정보를 이용하여 다음 Frame 의 하향링크 DL-MAP 에서 해당 구간에 Closed-loop 전송 방식을 적용시킨다. 각 사용자에게 Sounding 주파수 대역을 할당하는 방법은 A 유형과 B 유형으로 나뉜다.
A 유형은 두 가지의 방법으로 나뉜다. 첫 번째 방법은 각 사용자가 Sounding 할당 내에서 모든 부반송파를 점유한다. 이 방법을 사용하여 다수의 사용자가 아래에 정의된 바와 같이 동일한 Sounding 시퀀스를 사용하나, 각 사용자는 다른 주파수 도메인 위상 변환을 통해 근본적인 Sounding 시퀀스를 증가시킨다. 각 사용자의 시퀀스는 다음의 수학식 1에 의하여 정해진다.
Figure 112006069911556-pat00028
여기서 k 는 점유된 부반송파의 인덱스이며, P 는 최대 Cyclic Shift 인덱스이고, n은 0부터 p-1 까지의 범위를 갖는 할당된 Cyclic Time Shift 인덱스이다. 또한 p와 n은 Sounding 명령으로부터 정해진다. 또한 시퀀스
Figure 112006069911556-pat00029
는 Offset u 만큼 시퀀스
Figure 112006069911556-pat00030
를 Cyclic Shift 하여 얻게 된다. 시퀀스
Figure 112006069911556-pat00031
는 도 13의 Golay 시퀀스의 하위 시퀀스로 이진수 표현이며, 시작위치는 도 14에 주어진 Offset(Ls) 을 통해 정해진다. 두 번째 방법은 사용자가 Decimation 부반송파 집합을 가진다 (매 16번째 부반송파). 즉, 다수의 사용자가 동일한 Sounding 할당을 점유할 수 있으나, 각 사용자는 Sounding 할당 내에서 중복되지 않는 부반송파 집합을 사용한다. 각 사용자에게 점유된 부반송파들은 동일한 방법으로 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 심볼들에 의해 변조되어야 한다.
또한 B 유형은 UL_Sounding_Command_IE() 에 의한 Sounding 명령을 통하여 동일한 대역에서 여러 사용자가 Sounding 전송을 다중화 하는 것을 허용하지 않는다.
도 15는 도 10에서 전력 제어를 상세히 보인 상세흐름도이다. 그래서 사용자가 요구한 데이터 전송률이 만족되었는지를 판별하여(ST11), 만족되었으면 전송률 최대화(Rate Adaptive) Inner Closed-loop 전력 제어 알고리즘을 적용하고(ST12), 만족되지 않았으면 전송 전력 최소화(Margin Adaptive) Inner Closed-loop 전력 제어 알고리즘을 적용한다(ST13).
도 16은 제안된 상향링크 전력제어 알고리즘으로써, 기존의 Inner Closed- loop 을 사용자의 상황에 맞게 변형한 것이다. 만약 사용자가 자신이 요구하는 데이터 전송률보다 적은 양을 서비스 받은 시점에서는 전송률 최대화 (Rate Adaptive) Inner Closed-loop 전력 제어 알고리즘을 통해 자신의 최대 전력으로 전송을 한다. 그러나 자신이 요구하는 데이터 전송률을 이미 만족한 사용자들은 전송 전력 최소화 (Margin Adaptive) Inner Closed-loop 전력 제어 알고리즘을 적용함으로써 전송 전력을 최소화한다.
한편 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법을 보인 흐름도이다.
그래서 GPF 알고리즘으로 사용자를 선택하고(ST21), ASA 알고리즘으로 동적 채널 할당을 수행하여 Multiuser Diversity 이득을 얻는 FASA 알고리즘을 수행하며(ST22), 각 사용자 서비스 받은 데이터 전송률과 채널 상황을 고려하여 Improved CHC 알고리즘을 통하여 동적 전력 할당을 수행하게 된다(ST23).
도 18은 도 17에서 GPF와 ASA 알고리즘에 의한 FASA(Fairness insured Aggressive Subchannel Allocation) 알고리즘의 상세흐름도이다.
그래서 아직 다른 사용자에게 할당 되지 않은 부채널 중에서 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널을 찾는다(ST31).
그리고 부채널이 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률을 구한다(ST32).
그런 다음 구한 데이터 전송률의 크기를 비교하여 그 중 가장 작은 값을 가 지는 부채널을 선택된 사용자에게 할당한다.
도 19는 제안된 하향링크 동적 채널 할당 알고리즘인 FASA 알고리즘으로써 기존의 GPF 알고리즘을 비롯한 다른 동적 채널 할당 알고리즘들의 단점을 보안해준다. GPF 알고리즘은 모든 사용자의 순시적인 채널상황과 현재까지 서비스 받은 데이터양을 고려하여, 사용자들 간에 부채널을 할당 받을 우선순위를 정해주는 알고리즘이다. 그러나 선택된 사용자에게는 전체 부채널 중 임의의 부채널을 할당해준다. 다음의 수학식 2와 수학식 3은 GPF 알고리즘의 PF Metric 을 정해주는 수식으로써 사용자들 간의 우선순위를 정해준다.
Figure 112006069911556-pat00032
Figure 112006069911556-pat00033
위의 수학식 2에서
Figure 112006069911556-pat00034
는 현 시점에서 순시적으로 얻을 수 있는 데이터 전송률이며, 수학식 3의
Figure 112006069911556-pat00035
은
Figure 112006069911556-pat00036
시간까지 서비스 받은 데이터 전송률이며,
Figure 112006069911556-pat00037
은
Figure 112006069911556-pat00038
시점에 서비스 받은 데이터 전송률이다. 즉, 사용자가 현 시점까지 많은 데이터를 서비스 받았으면 우선 순위가 내려간다. 그러 나 만약 그 사용자의 순시적인 채널 상황이 너무 좋다면 우선 순위가 다시 올라가는 개념이다. 그리고
Figure 112006069911556-pat00039
는 평균을 취하는 시간상의 구간 범위(Window)를 의미한다. 즉, 사용자의 채널 상황이 나빠졌을 경우, 채널 상황이 개선되기까지는 최소한
Figure 112006069911556-pat00040
정도의 시간이 필요함을 의미한다. 따라서 FASA 알고리즘은 사용자 선택은 GPF 알고리즘을 이용하고, 선택된 사용자에게 부채널을 할당해주는 과정은 ASA 알고리즘을 적용한다. ASA 알고리즘은 다음과 같은 세 단계로 이루어진다.
첫째, 아직 다른 사용자에게 할당 되지 않은 부채널 중에서 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널을 찾는다. 이 때, 사용자들은 기지국에 자신의 채널 정보를 양자화 시켜 전송하기 때문에 기지국의 입장에서는 한 사용자에게 동일한 채널 이득을 보장하는 부채널이 복수 개 존재할 수 있다.
Figure 112006069911556-pat00041
수학식 2에서
Figure 112006069911556-pat00042
는 선택된 사용자
Figure 112006069911556-pat00043
가 m 번째 부채널에서 보장 받을 수 있는 데이터 전송률이다. 전체 부채널 중 사용자
Figure 112006069911556-pat00044
에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널은
Figure 112006069911556-pat00045
이고, 이는 복수 개 존재할 수 있다.
둘째, 부채널
Figure 112006069911556-pat00046
가 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률을 구한다.
Figure 112006069911556-pat00047
위의 수학식 5에서
Figure 112006069911556-pat00048
는 선택된 사용자를 제외한 모든 사용자들의
Figure 112006069911556-pat00049
부채널에서 보장받을 수 있는 데이터 전송률의 합이다.
셋째, 수학식 5에서 구한
Figure 112006069911556-pat00050
의 크기를 비교한다. 그 중 가장 작은 값을 가지는 부채널을 선택된 사용자에게 할당한다. 즉, 다른 사용자에게 상대적으로 더 많은 데이터 전송률을 보장해줄 수 있는 부채널을 남겨둠으로써 전체 시스템의 데이터 전송률을 높일 수 있다. 그러나 기존의 동적 채널 할당 알고리즘들은 위와 같이 선택된 사용자에게 할당될 수 있는 부채널이 복수 개 존재할 때, 다른 사용자의 입장을 고려하지 않고 가장 빠른 인덱스의 부채널을 사용자에게 할당해준다.
도 20은 FASA 알고리즘을 통한 할당 결과이다. 시스템의 총 사용자가 네 명 그리고 총 부채널은 여덟 개라고 가정하고 가로축은 사용자 세로축은 부채널 번호를 나타낸다. 그림에서 나타낸 각 사용자의 각 부채널 별 값은 채널 이득, 즉, 각 사용자에게 보장하는 데이터 전송률을 나타낸다. GPF 알고리즘에 의해
Figure 112006069911556-pat00051
사용자 가 선택되고,
Figure 112006069911556-pat00052
사용자 부채널 중 가장 높은 채널 이득을 가진
Figure 112006069911556-pat00053
부채널을,
Figure 112006069911556-pat00054
사용자에게 할당해준다. 다음
Figure 112006069911556-pat00055
사용자가 선택되고 그에게
Figure 112006069911556-pat00056
부채널을, 그리고
Figure 112006069911556-pat00057
사용자에게는
Figure 112006069911556-pat00058
부채널을, 그리고
Figure 112006069911556-pat00059
사용자에게는
Figure 112006069911556-pat00060
부채널을 할당해준다.
그 후 GPF 알고리즘에 의해
Figure 112006069911556-pat00061
사용자가 다시 선택되고, 그의 부채널 중
Figure 112006069911556-pat00062
와
Figure 112006069911556-pat00063
부채널이 가장 높고 동일한 채널 이득을 보장해 준다. 그러므로 기지국은
Figure 112006069911556-pat00064
사용자에게 둘 중 어떤 부채널을 할당해줘야 할지 결정해야한다. 두 부채널 중
Figure 112006069911556-pat00065
부채널이 다른 사용자에게 더 많은 채널 이득을 보장해줄 수 있음을 알 수 있다.
그러므로 기지국은
Figure 112006069911556-pat00066
사용자에게
Figure 112006069911556-pat00067
부채널을 할당해 줌으로써 다른 사용자들이
Figure 112006069911556-pat00068
부채널을 할당 받을 수 있는 기회를 보장해준다.
즉, FASA 알고리즘은 모든 사용자들이 가능한 자신에게 높은 채널 이득을 보장해줄 수 있는 부채널을 할당 받음으로써 전체적인 시스템의 성능 및 공평성이 다른 알고리즘들에 비해 높다는 장점을 가지고 있다.
도 21은 제안된 하향링크 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘의 개념이다.
그래서 사용자 그룹화(Phase I : User Grouping)(ST41), 잉여 전력 수거(Phase II : Collection of Extra Power)(ST42), 잉여 전력의 재할당(Phase III : Re-assignment of Extra Power)(ST43)을 수행한다.
Improved CHC 알고리즘의 기본 개념은 다음과 같다. 부채널을 할당 받은 사용자들에게 기지국은 총 전력 20W 를 EBP 알고리즘의 개념으로 각 부채널에 동등하게 분배한다. 그 후 사용자는 자신이 할당 받은 부채널의 평균 CINR 을 기지국으로 송신하게 되고, 기지국은 각 사용자의 평균 CINR 값을 9개의 MCS Level 의Target CINR 과 비교하여 각 사용자의 MCS Level 을 결정해 준다. 이 때, 기지국은 도 22의 "Phase I User Grouping"을 수행한다. 그 결과 사용자들은 다음과 같은 3 그룹으로 나뉘게 된다.
- Group 1 : 현재의 MCS Level 로 인해 서비스 받을 수 있는 데이터 전송률
Figure 112006069911556-pat00069
가 자신이 요구하는 데이터 전송률
Figure 112006069911556-pat00070
보다 높은 사용자들의 그룹.
- Group 2 : 현재의 MCS Level 로 인해 서비스 받을 수 있는 데이터 전송률
Figure 112006069911556-pat00071
이 자신이 요구하는 데이터 전송률
Figure 112006069911556-pat00072
에 못 미치는 사용자들의 그룹.
- Group 3 : 자신이 할당 받은 부채널의 평균 CINR 인
Figure 112006069911556-pat00073
가 가장 낮은 MCS Level 의 Target CINR
Figure 112006069911556-pat00074
조차 만족하지 못하는 사용자들의 그룹.
User Grouping 이 완료된 후, 기지국은 도 23의 "Phase II Collection of Extra Power"를 수행한다. Improved CHC 알고리즘의 Phase II 는 Group 1의 사용자들에게서 잉여 전력을 수거하는 과정이다. 중요한 점은 Group 1의 사용자들에게서 잉여 전력을 수거할 때 해당 사용자들의 데이터 전송률을 낮추지 않는 선에서 수거해야 한다.
Improved CHC 알고리즘의 마지막 과정은 도 24의 "Phase III Re-assign Extra Power" 이다. 이는 위에서 수거한 잉여 전력을 Group 2 의 사용자들에게 할당해주는 과정이다. 이 때 Grout 2 의 사용자들 중 전력을 할당받는 우선순위는 가장 높은 MCS Level 로 정해진 사용자 우선이다.
사용자에게 전력을 수거할 때, 해당 사용자가 현재 MCS Level 을 낮추지 않기 위해서는 전력을 단계별로 조금씩 회수해야 한다. 또한 전력을 재할당해줄 때에도 쓸데없는 전력의 소모를 막기 위해 단계별로 조금씩 재할당 해줘야 한다.
도 25는 위와 같은 전력 수거 및 재할당 한 단계의 전력 크기를 정해주는 과정이다. 각 MCS Level 의 CINR 차이는 2 ~ 3 dB 사이로 비슷하다는 것을 감안하여 전력을 수거하는 한 단계의 크기는 6.9dBm, 10dBm, 13dBm 으로 상황에 맞게 선택하고, 전력을 재할당해주는 한 단계의 크기는 3dBm 으로 통일한다.
도 26은 사용자가 할당 받은 부채널의 수에 따른 필요 전력량을 계산하는 방 식을 나타낸다. 예를 들어 하나의 부채널을 할당 받은 사용자가 256 kbps 의 데이터 전송률을 요구한다면, 그 사용자는 16QAM 1/2의 MCS Level 이 되어야만 한다. 그러나 세 개의 부채널을 할당 받은 사용자가 256 kbps 의 데이터 전송률을 요구한다면, 그 사용자는 QPSK 1/4 의 MCS Level 이면 충분하다. 즉, 사용자가 할당 받은 부채널 수에 따라서 요구하는 MCS Level 이 다르게 되고, 그에 따른 추가 전력도 달라져야 하는 것이다.
도 27은 하향링크 동적 채널 할당만을 수행하였을 경우의 알고리즘 별 Sector Throughput 을 비교한 것이다. 결과에서 볼 수 있듯이 모든 사용자의 순시적인 채널상황을 고려하고 모든 사용자가 가능한 자신에게 유리한 부채널을 할당 받게 해주는 제안된 FASA 알고리즘이 가장 높은 성능을 보이고 있다. 또한 이론적으로는 높은 성능을 보이는 RCG 알고리즘이 실제 시스템과는 거리가 먼 BABS 알고리즘의 기본 가정 때문에 매우 열악한 성능을 보이고 있다.
도 28은 하향링크 동적 채널 할당 및 동적 전력 할당을 모두 수행한 후, 각 알고리즘의 Sector Throughput 을 나타낸 것이다. 결과에서 볼 수 있듯이, 제안된 FASA 알고리즘에 제안된 Improved CHC 알고리즘을 적용한 결과가 가장 높은 Throughput 을 보이고 있다.
도 29는 하향링크 동적채널할당만을 수행한 경우의 공평성과 제안된 동적 전력 할당 알고리즘인 Improved CHC 알고리즘을 적용한 후의 공평성을 비교한 것이다. 결과에서 볼 수 있듯이, 제안된 전력 할당 알고리즘을 적용한 후 대부분 사용자들이 최소요구량(Threshold)을 넘음으로써 공평성이 매우 향상됨을 알 수 있다.
도 30은 제안된 동적채널할당 알고리즘인 FASA 와 기존의 Max CIR 알고리즘의 공평성을 비교한 것이다. 종래의 Max CIR 알고리즘은 채널상황이 좋은 사용자에게 무조건 부채널을 다 할당해주는 알고리즘이기 때문에 사용자들간의 Throughput 의 차이가 매우 큼을 알 수 있다. 그러나 본 발명에서 제안된 FASA 는 사용자들 간에 거의 유사한 Throughput 을 서비스 받고 있음을 알 수 있다.
도 31은 인접 셀의 간섭이 존재할 경우의 상향링크와 하향링크의 동일한 부채널에서의 채널 정보의 차이를 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 주변 셀로부터의 간섭이 있다면 하향링크와 상향링크는 거의 완벽한 Reciprocity 를 가진다고 볼 수 없다. 따라서 상향링크 동적 자원 할당을 수행함에 있어 하향링크의 채널 정보를 이용하는 것은 부적절하다.
도 32는 상향링크 Channel Sounding 을 사용하지 않는다는 가정 하에 기존의 FLR 알고리즘에 ITU-R M.1225 Vehicular 경로 손실 모델을 적용하고, 모든 셀에 12명의 사용자가 존재할 경우에 각 사용자의 위치별 할당 받을 수 있는 부채널의 개수를 시뮬레이션을 통해 정해 놓은 것이다. 간단히 설명을 하자면 100m 이내에 위치하는 사용자는 전체 부채널 중 3개의 부채널 만을 할당 받았을 경우 평균적으로 -4.67 dB 정도의 수신 CINR 을 가지게 되고, 4개의 부채널을 할당 받았을 경우 평균적으로 -6.14 dB 정도의 수신 CINR 을 가지게 된다. 즉, 사용자가 요구하는 QPSK 1/12 를 서비스 받을 수 있는 Target CINR 인 -5.13 dB 를 유지하기 위해서는 4개 이상의 부채널을 할당 받으면 안된다. 도 32의 Look-up Table 을 사용자들에게 적용시키기 위해서는 다음과 같은 상황을 고려해야 한다.
1) 모든 사용자의 NSCH 의 합이 시스템의 총 부채널 수를 넘을 경우.
2) 모든 사용자의 NSCH 의 합이 시스템의 총 부채널 수보다 적을 경우.
첫 번째 경우에는 어떤 사용자부터 우선적으로 NSCH 를 정해주는 문제가 중요하다. 만약 기지국으로부터 가장 가까운 거리에 위치하는 사용자 우선으로 NSCH 를 정해주게 되면 셀의 외곽에 위치한 사용자는 한 개의 부채널도 할당 못 받을 수 있다. 이런 경우 시스템의 Throughput 은 증가하겠지만 전체 사용자의 공평성은 유지가 되지 않는다. 따라서 첫 번째 경우에는 셀 외곽에 위치한 사용자 우선으로 NSCH 를 정해줌으로써 공평성을 최대로 유지한다.
두 번째 경우에는 모든 사용자에게 NSCH 를 정해주고 난 뒤에도 여분의 부채널이 생길 경우, 사용자들에게 할당을 해줄 것인지 여부를 정해야 한다. 만약 이미 NSCH 가 정해진 사용자에게 추가적인 부채널을 할당할 경우 해당 사용자는 고정된 전력으로 인해 자신이 할당 받은 부채널 각각에 배분하는 전력이 작아지게 된다. 즉, 오히려 부채널을 더 사용함으로써 Target CINR 을 만족할 수 없는 경우가 생기게 된다.
따라서 첫 번째 경우에는 셀 외곽에 위치한 사용자에게 우선적으로 NSCH 를 정해주고, 두 번째 경우에는 추가적으로 정해주지 않는다. 그 후 각 사용자에게 Round-robin을 통해 정해진 개수의 부채널 수만큼 부채널을 할당한다.
도 33은 하향링크는 Preamble 을 통한 채널정보를 이용하여 동적 자원 할당 을 수행하고, 상향링크는 Channel Sounding 을 통한 채널 정보를 통하여 동적 자원 할당을 수행을 지원하는 Frame 구조이다.
도 34에서 General Case 는 12명의 사용자가 총 24개의 부채널을 각각 2개씩 사용하는 경우이고, FLR Case 는 12 명의 사용자가 도 32의 Look-up Table 에 따라 각 사용자 별로 다른 개수의 부채널을 할당 받고 전송전력 최소화 또는 전송률 최대화 Inner-closed Loop 전력 제어를 수행한 경우이다. FLR 을 적용했을 경우 일반적인 Round-robin 의 경우보다 시스템 전체 Throughput 의 향상이 매우 높지는 않지만 사용자들간의 공평성은 훨씬 높아졌다. 즉, FLR 을 적용함으로써 모든 사용자가 자신의 채널 환경에 맞는 부채널 수만을 할당 받게 되고 이를 통해 시스템의 공평성이 향상되었다.
도 35는 상향링크 Channel Sounding 를 통한 상향링크 채널 정보를 이용하여 동적자원할당을 수행한 결과이다. 도 35의 결과는 FLR 을 통한 Look-up Table 을 적용하여 사용자가 할당 받을 수 있는 부채널의 개수를 정해준 후 Round-robin 알고리즘을 통해 동적 채널할당을 수행한 결과와 하향링크 채널정보를 이용하여 GPF 알고리즘과 FASA 알고리즘을 적용시킨 경우와 Channel Sounding 을 통한 상향링크 채널 정보를 이용하여 GPF 알고리즘과 FASA 알고리즘을 적용시켰을 때의 결과를 비교한 것이다. 상향링크 채널 정보를 이용했을 경우, FLR 을 적용한 Round-robin 에 비하여 GPF 알고리즘은 16.3 %, 그리고 FASA 알고리즘은 22.7 % 의 Sector Throughput 이 향상되었다. 또한 Channel Sounding 을 통한 상향링크 채널정보를 이용한 경우, FLR 을 적용한 Round-robin 에 비하여 GPF 알고리즘은 25.4 %, 그리 고 FASA 알고리즘은 31.8 % 의 Sector Throughput 이 향상되었다. 즉, 정확한 채널 정보를 이용하여 동적 채널 할당을 수행함으로써 성능이 향상된다는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 상/하향링크의 동적 자원 할당 방법은 802.16e OFDMA/TDD 셀룰러 시스템 시스템에서 섹터 처리량과 공평성을 향상시키기 위한 하향링크 및 상향링크 동적 자원 할당 알고리즘을 제안할 수 있는 효과가 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. GPF 알고리즘으로 부채널을 할당받을 사용자를 선택하는 단계;
    다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중, 상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장하면서, 상기 선택된 사용자를 제외한 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률이 가장 낮은 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하는 단계;
    기지국 내의 각각의 사용자가 제공받을 수 있는 데이터 전송률 및 각 사용자가 요구하는 데이터 전송률의 크기를 고려하여 각 부채널에 전력 할당을 수행하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부채널을 할당하는 단계는,
    다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 하나 이상의 부채널을 찾는 단계;
    상기 부채널을 찾는 단계에서 찾은 부채널의 갯수가 하나인 경우 상기 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하고, 찾은 부채널의 개수가 둘 이상인 경우 각각의 부채널이 상기 선택된 사용자를 제외한 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률을 구하는 단계; 및
    상기 데이터 전송률의 각각의 크기를 비교하여, 가장 작은 데이터 전송률을 가지는 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널을 찾는 단계는,
    Figure 112007092685135-pat00118
    에 의하여 부채널을 찾으며, 여기서
    Figure 112007092685135-pat00119
    는 선택된 사용자이고,
    Figure 112007092685135-pat00120
    는 상기 선택된 사용자가 m 번째 부채널에서 보장 받을 수 있는 데이터 전송률이며,
    Figure 112007092685135-pat00121
    은 다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중 상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널인 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 데이터 전송률을 구하는 단계는,
    Figure 112008027809828-pat00122
    에 의해 데이터 전송률을 구하며, 여기서
    Figure 112008027809828-pat00123
    는 상기 선택된 사용자를 제외한 모든 사용자들이
    Figure 112008027809828-pat00124
    부채널에서 보장받을 수 있는 데이터 전송률의 합이고, rk,m은 사용자 k가 m 번째 부채널에서 보장 받을 수 있는 데이터 전송률인 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 전력을 할당하는 단계는;
    각각의 부채널에 전력을 동등하게 할당하는 단계;
    각 사용자의 MCS(Modulation and Code Scheme) 레벨에 따라 제공받을 수 있는 데이터 전송률 및 각 사용자가 요구하는 데이터 전송률의 크기를 비교하여 사용자를 그룹화하는 단계;
    상기 그룹화의 결과, 제공받을 수 있는 데이터 전송률이 요구하는 데이터 전송률보다 높은 그룹의 사용자들로부터 잉여 전력을 수거하는 단계; 및
    제공받을 수 있는 데이터 전송률이 요구하는 데이터 전송률보다 작은 그룹의 사용자들에게 상기 수거한 잉여 전력을 재할당하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 그룹화 단계는,
    사용자의 MCS(Modulation and Code Scheme) 레벨에 따라 제공받을 수 있는 데이터 전송률이 사용자가 요구하는 데이터 전송률보다 큰 사용자들을 제 1 그룹으로 지정하고,
    제공받을 수 있는 데이터 전송률이 요구하는 데이터 전송률보다 작은 사용자들을 제 2 그룹으로 지정하며,
    할당받은 부채널의 평균 CINR이 가장 낮은 MCS Level의 Target CINR(Carrier to Interference-plus-Noise Ratio)조차 만족 못 하는 사용자들을 제 3 그룹으로 지정하는 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 잉여 전력을 수거하는 단계는,
    전력을 회수당하는 사용자들의 현재 MCS Level을 낮추지 않는 범위 내에서 복수의 단계로 나누어 수행하며, 한 단계에서 전력을 회수하는 크기는 6.9dBm, 10dBm, 13dBm 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 잉여 전력을 재할당하는 단계는,
    상기 제 2 그룹에 지정된 사용자들 중 MCS 레벨이 높은 순서로 잉여 전력을 재할당하는 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전력 재할당은 복수의 단계로 나누어 수행되며, 한 단계에서 전력을 재할당하는 크기는 3dBm인 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 잉여 전력을 재할당하는 단계는,
    상기 각 사용자가 할당받은 부채널의 개수에 따라 필요 전력량을 계산하고, 이에 따라 각 사용자들에게 잉여전력을 재할당하는 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  13. GPF 알고리즘으로 부채널을 할당 받을 사용자를 선택하는 단계;
    상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장하는 부채널 중, 상기 선택된 사용자를 제외한 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률이 가장 낮은 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 부채널을 할당하는 단계는,
    다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 하나 이상의 부채널을 찾는 단계;
    상기 부채널을 찾는 단계에서 찾은 부채널의 갯수가 하나인 경우 상기 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하고, 찾은 부채널의 개수가 둘 이상인 경우 각각의 부채널이 상기 선택된 사용자를 제외한 다른 사용자에게 보장할 수 있는 데이터 전송률을 구하는 단계; 및
    상기 데이터 전송률의 각각의 크기를 비교하여, 가장 작은 데이터 전송률을 가지는 부채널을 상기 선택된 사용자에게 할당하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널을 찾는 단계는,
    Figure 112007092685135-pat00125
    에 의하여 부채널을 찾으며, 여기서
    Figure 112007092685135-pat00126
    는 선택된 사용자이고,
    Figure 112007092685135-pat00127
    는 상기 선택된 사용자가 m 번째 부채널에서 보장 받을 수 있는 데이터 전송률이며,
    Figure 112007092685135-pat00128
    은 다른 사용자에게 할당되지 않은 부채널 중 상기 선택된 사용자에게 가장 높은 데이터 전송률을 보장할 수 있는 부채널인 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 데이터 전송률을 구하는 단계는,
    Figure 112008027809828-pat00129
    에 의해 데이터 전송률을 구하며, 여기서
    Figure 112008027809828-pat00130
    는 상기 선택된 사용자를 제외한 모든 사용자들이
    Figure 112008027809828-pat00131
    부채널에서 보장받을 수 있는 데이터 전송률의 합이고, rk,m은 사용자 k가 m 번째 부채널에서 보장 받을 수 있는 데이터 전송률인 것을 특징으로 하는 OFDMA/TDD 셀룰러 시스템에서의 하향링크의 동적 자원 할당 방법.
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