KR101088765B1 - Ｏｆｄｍａ시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 새로운 무선 자원 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리방법에 관한 것으로, 무선 자원 관리방법에 있어서 대역 및 출력을 할당하는 1단계 및 1단계 이후 정해진 대역과 출력에 맞추어 부채널을 할당하는 2단계를 포함하는 방법으로 이루어져, 시스템의 형평성을 증진하며 주파수 선택도와 다중 사용자 다이버시티 이득을 이용할 수 있게 한다.
OFDM, FDMA, OFDMA, 베스트 에포트, 대역할당, 출력할당, 부채널할당

Description

ＯＦＤＭＡ시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 새로운 무선 자원 관리 방법{Novel Radio Resource Management Method for Best-effort Service in OFDMA Systems}
본 발명은 통신 시스템에 있어서 무선 자원 관리방법에 관한 기술이다.
OFDM(Orthogonal frequency division multiplexing,직교 주파수 분할 다중화)는 무선의 다중경로로 인해 발생하는 심볼간간섭 (Inter symbol interference, ISI)를 최소화하는 효율적인 무선 통신 기술로써, OFDM과 FDMA(Frequency Division Multiple Access,주파수분할다중접속)을 함께 가지는 OFDMA는 시간과 주파수 영역에서 자원의 관리에 유리한 시스템이다.
OFDMA시스템에서의 다중 사용자에 대한 무선 자원 관리(Radio Resource management,RRM)에 있어서, margin-adaptive방법과 rate-adaptive방법이 존재하는바, margin-adaptive방법은 사용자의 데이타 비율이 주어졌을때, 전체 송신 전력을 최소화하는 방법이고, rate-adaptive방법은 대역과 송신 전력이 주어졌을때, 시스템 성능을 최대화하는 방법이다.
OFDMA시스템에서의 다사용자 다이버시티 이득과 시스템의 성능 및 형평성을 증가시켜 시스템의 이용도를 최대화하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 특성은 대역 및 출력을 할당하는 제1단계 및 제1단계 이후 정해진 대역과 출력에 맞추어 부채널을 할당하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법을 포함한다.
또한, 제1단계는 대역을 할당하는 단계와 전단계 수행후 출력을 할당하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 제1단계는 출력을 할당하는 단계와 전단계 수행후 대역을 할당하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 대역을 할당하는 단계는 시스템을 사용하는 각 사용자에게 동일한 전송 전력을 할당하는 단계, 전단계에서 구해진 사용자별 전력을 통해 각 사용자에게 출력 문턱 SNR 값인 γ를 만족하는 대역을 구하는 단계와 시스템 전체 대역을 만족하도록 표준화하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 출력을 할당하는 단계는 각 사용자마다 출력을 할당하는 단계, 대역을 할당하는 단계와 대역을 표준화하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 대역을 표준화하는 단계 전체 시스템 대역보다 사용자들이 필요로 하는 대역의 합이 큰경우에만 실행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2단계는 제1단계에서 계산된 출력과 대역을 기초로 하여, i번째 사용자에게 할당된 대역을 부채널 대역으로 나눈 값으로 사용자에게 부채널을 할당하는 방법을 특징으로 한다.
또한 2 단계는 여러 사용자가 동일한 부채널을 동시에 선택하는 경우, 각 사용자가 해당 부채널을 통해 전송할 수 있는 bit수를 각 사용자가 전체 부채널에서 전송할 수 있는 평균적 bit수로 나눈 값인 부채널 할당 우선 인수를 각 사용자별로 구한 후 그 값이 가장 큰 사용자에게 부채널을 할당하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 대역, 출력 할당 및 부채널 할당 방법에 의해 시스템 정지확률을 비교할때, 시스템의 형평성을 증진하며 주파수 선택도와 다중 사용자 다이버시티 이득을 이용할 수 있게 한다.
이하 발명을 수식및 도면과 함께 설명한다.
먼저 본 발명의 단초가 된 통신 시스템상의 자원 배분 관리에 대한 문제를 수식화한다.
먼저 [1] J. Jang, and J. Jang, and K. B. Lee, "transmit power adaption for multiuser OFDM systems," IEEE J. SAIC, vol. 21, no. 2, pp. 171-178, Feb. 2003., [2] W. Rhee, and J. M. Cioffi, "Increasing in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation," in Proc. IEEE VTC-spring, vol. 2, May 2000, pp. 1085-1089., [3] Zukang Shen, Jeffrey G. Andrews, and Brian L. Evans, "Optimal power allocation in multiuser OFDM systems," in Proc. IEEE Globecom, vol. 1, Dec. 2003, pp. 337-341., [4] Deng Pan, and Yuanyuan Yang, "Max-Min fair bandwidth allocation algorithms for packet switches," in Proc. IEEE PDPS, Mar. 2007, pp. 1-10. 와 같은 논문들에서 언급된 바와 같이 OFDMA 통신 시스템의 자원 배분을 위한 고려사항들을 수식화하면 아래의 수학식1과 같이 각 사용자들간의 사용 효율을 모두 더한 값이 최대인 값을 가지는 인수들을 찾는 것이 된다.
Figure 112009032609823-pat00001
Figure 112009032609823-pat00002
Figure 112009032609823-pat00003
Figure 112009032609823-pat00004
이때, 위 수식에서 N은 데이타를 보내려는 사용자의 수, bi는 i번째 사용자에게 할당된 대역, pi는 i번째 사용자에게 할당된 출력, gi는 i번째 사용자에게 있을 수 있는 경로 상실과 채널 흐림으로 인한 출력저하 인수, B는 전체 시스템 상의 대역 한계, P는 전체 다운링크 전송 출력 한계, N0는 AWGN 잡음 출력, γ는 최소한의 통신을 유지 시킬 수 있는 SNR값을 각각 나타낸다.
문제를 더욱 간단히 하기 위해 본 발명에서는 각 사용자가 같은 SNR인 γ를 받는다고 가정한다.
위와 같이 가정할때, 상기 수학식1은 다음 수학식2와 같이 전개된다.
Figure 112009032609823-pat00005
Figure 112009032609823-pat00006
Figure 112009032609823-pat00007
Figure 112009032609823-pat00008
Figure 112009032609823-pat00009
따라서, 시스템 전체의 최대 성능은 상기 수학식2의 마지막 식에서 유추할 수 있는 식인 아래 수학식3과을 만족할때 성립한다.
Figure 112009032609823-pat00010
수학식3의 경우 [Kenneth Lange, Optimization, New York : Springer, 2004]에서 언급된 Cauchy-Schwarz 부등식을 기초로 하면, 수학식3의 최대값은 아래의 수학식4가 만족하는 때에 구해진다.
Figure 112009032609823-pat00011
본 발명에서는 위의 수학식 3과 4를 기초로 하여 먼저 대역과 출력을 할당하고 그 다음 부채널을 사용자에게 할당하는 방법을 제안한다.(도1)
이를 위해 먼저 대역및 출력을 할당하는 방법을 살펴본다.(도2)
방법 1의 경우 먼저 대역을 할당한 후, 그 이후에 출력을 할당하는 방법으 로써 대역 할당 단계에서는 i)먼저 각 사용자에게 전송 출력을 균등하게 할당한 후, ii) i번째 사용자에게
Figure 112009032609823-pat00012
의 초기 출력을 가지는 문턱 SNR γ를 만족시키는 대역인 아래 수학식5 와 같은 대역을 할당한 후, iii) 아래의 수학식6과 같이 각 사용자에게 필요한 대역을 표준화한다.( 도2 (a) )
Figure 112009032609823-pat00013
Figure 112009032609823-pat00014
그 이후 출력 할당단계에서 출력을 상기 수학식4와 같은 방법을 통해 재할당하는 방법이다.
방법2는 먼저 출력을 할당한 후, 그 이후에 대역을 할당하는 방법으로써, 출력할당은 방법1과 같이 수학식4에 의해 할당하며, 이후 대역의 경우 아래의 수학식7과 같은 방법으로 각 사용자에게 할당한 후, 상기 수학식6에 의한 대역 표준화를 진행시킨다.(도2 (b) )
Figure 112009032609823-pat00015
방법3은 방법2와 동일하나 상기 수학식6에 의한 대역 표준화는 전체 사용자에 의해 요구되어진 대역의 합이 시스템 대역 한계인 N보타 큰 경우만 표준화를 시키는 방법이다.(도2 (c))
방법3은 방법2에 비해서 대역 표준화에 의한 성능하락이 작다.
상기와 같이 대역 및 출력의 할당이 끝나면 부채널 할당을 실시한다.
부채널은 상기 할당된 대역과 출력에 의한 결과를 기초로 하여 아래의 수학식8과 같은 식을 통해 각 사용자에게 할당된다.
Figure 112009032609823-pat00016
상기 수학식8에서 Ni는i번째 사용자에게 할당된 부채널의 수이고, Bsub는 시스템에 따른 부채널의 대역이다.
본 발명은 각 사용자가 할당된 Ni에 따라 각자에게 최선인 부채널을 선택한다. 여러 사용자가 같은 부채널을 선택한 경우에 대해서는 아래의 수학식9와 같은 새로운 부채널 할당 우선 인수를 부여하여 가장 높은 인수를 가진 사용자에게 할당하는 방식을 제안한다.
Figure 112009032609823-pat00017
상기 수학식9에서 n,i는 각각 부채널과 사용자를 나타내는 지수이며, Rn,i는 부채널 n을 통해 i번째 사용자가 전송할 수 있는 bit수를 나타낸다. 또한,
Figure 112009032609823-pat00018
는 전체 부채널을 통해서 i번째 사용자가 전송할 수 있는 평균 bit수를 나타낸다.
상기와 같은 본 발명을 보다 더 이해하기 위해 실시예를 통해 간단히 알아본다.
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 평균
사용자1 5 4 4 5 3 5 5 5 4 5 4.5
사용자2 1 1 3 2 2 2 2 2 3 2 2
사용자3 3 3 2 2 3 3 3 4 1 3 2.7
사용자4 2 1 1 2 3 3 2 2 3 1 2
사용자5 4 3 1 5 1 2 1 3 2 4 2.6
표1은 사용자 5명에 대해서 각 사용자당 두개의 부채널이 할당된 경우를 가정한다. S1 ~ S10은 부채널을 말하고 각 사용자가 각 부채널을 통해 전송 할 수 있는 bit수 및 평균 비트수가 표1에 표시되어 있다.
종래의 방법에 의한 할당은 사용자 중 가장 많은 비트를 전송할 수 있는 사용자에게 부채널을 할당하는 방법이며, 이 방법에 의해 부채널을 할당할 경우 아래의 표2와 같다.
사용자 선택된 부채널 전송 비트수
사용자1 S1 , S2 9
사용자2 S3 , S7 5
사용자3 S5 , S6 6
사용자4 S9 , S10 4
사용자5 S4 , S8 8
한편 본 발명에 의한 방법으로 할당하는 경우 아래의 표3과 같으며 전체적으로 38bit를 할당할 수 있어서, 종래의 방법으로 전송 가능한 32bit보다 더욱 많은 데이터를 전송할 수 있다.
사용자 선택된 부채널 전송 비트수
사용자1 S1 , S7 10
사용자2 S3 , S9 6
사용자3 S2 , S8 7
사용자4 S5 , S6 6
사용자5 S4 , S10 9
본 발명의 효과 및 성능을 수치적으로 표시하기 위한 환경은 다음 표4와 같다.
인수 값
반송파 주파수 2.35 GHz
유효 대역 8.75 MHz
전송 출력 43 dBm
잡음 -174 dBm/Hz
경로 손실 모델 ITU Veh.
Fading Channel Flat Rayleigh Fading, ITU-R Veh A 30 km/h
Channel Knowledge Perfect
셀의 수 1
셀 모양 Hexagonal
셀 반지름 1 km
사용자 수 2 ~ 5
위치 Uniform / Fixed
상기 표4에 의한 환경에서의 본발명 방법 성능을 도시한 도3은 사용자 5명이 균등하게 분산된 셀에서 flat Rayleigh fading 채널에서의 시스템 성능의 손실률을 도시하고 있다.
또한, 도4는 본발명에 의한 방법이 종래 이용되었던 best user 대역과 출력 할당 알고리즘이 가지는 종래의 할당 방법과 본 발명에서 제시한 3개의 대역 & 출력 할당 방법을 통한 부채널 할당 방법의 시스템 정지 확률을 도시하며, 도5는 표4에 의한 실험환경중 flat Rayleigh fading 채널과 30km의 이동성을 갖는 ITU-R Veh-A 채널에서의 종래 할당방법에 대한 본 발명의 시스템의 성능 증가율을 나타낸다.
이상과 같이 본 발명에 따른 무선 자원 관리 방법을 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도1은 본 발명에 의한 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리의 개략적인 방법을 도시한다.
도2는 도1에서 개시된 대역 & 출력 할당 단계를 구체화한 방법을 도시한다.
도3은 본 발명의 효과를 보이기 위한 계산실험에서 사용자5명에 대한 시스템의 처리량 손실률을 도시한다.
도4는 종래의 할당 방법과 본 발명에서 제시한 3개의 대역 & 출력 할당 방법을 통한 부채널 할당 방법의 시스템 정지 확률을 조시한다.
도5는 Rayleigh fading 채널과 30km의 이동성을 갖는 ITU-R Veh-A 채널에서의 종래 할당방법에 대한 본 발명의 시스템의 성능 증가율을 나타낸다.

Claims (8)

  1. OFDMA 시스템 내의 부채널의 수와 각 부채널의 전송전력을 결정하기 위하여 상기 OFDMA 시스템의 전송대역 및 전송출력을 아래에 기재된 수학식3 및 수학식 4를 이용하여 각 사용자들에게 배분하는 제1단계; 및
    상기 제1단계 이후 정해진 전송대역과 전송출력에 맞추어 부채널을 상기 각 사용자들에게 배분하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112011016309713-pat00027
    [수학식 4]
    Figure 112011016309713-pat00028
    수학식 3의 경우 [Kenneth Lange, Optimization, New York : Springer, 2004]에서 언급된 Cauchy-Schwarz 부등식을 기초로 하면, 수학식3의 최대값은 아래의 수학식 4가 만족하는 때에 구해지며, 여기서, N은 데이타를 보내려는 사용자의 수, bi는 i번째 사용자에게 할당된 대역, pi는 i번째 사용자에게 할당된 출력, gi는 i번째 사용자에게 있을 수 있는 경로 상실과 채널 흐림으로 인한 출력저하 인수, P는 전체 다운링크 전송 출력 한계를 각각 나타낸다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계는,
    (a) 상기 OFDMA 시스템에서 상기 전송대역을 각 사용자들의 수에 맞게 배분하는 단계; 및
    (b) 상기 (a)단계 수행 후 상기 OFDMA 시스템에서 전송출력을 상기 각 사용자들의 수에 맞게 배분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계는,
    (c) 상기 OFDMA 시스템에서 전송출력을 상기 각 사용자들의 수에 맞게 배분하는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계 수행 후 상기 전송대역을 상기 각 사용자들의 수에 맞게 배분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (e) 상기 OFDMA 시스템에서 상기 OFDMA 시스템을 사용하는 각 사용자에게 동일한 전송 전력을 상기 각 사용자의 수와 동일하게 배분하는 단계;
    (f) 상기 (e)단계에서 구해진 사용자별 전력을 통해 상기 각 사용자에게 출력 문턱 SNR 값인 γ를 만족하는 상기 전송 대역을 구하는 단계; 및
    (g) 상기 (f)단계 이후 상기 각 사용자에게 배분되는 상기 전송 대역을 표준화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    (h) OFDMA 시스템에서 각 사용자에게 전송 출력을 배분하는 단계;
    (i) 상기 (h)단계 이후 상기 OFDMA 시스템에서 각 사용자에게 전송 대역을 배분하는 단계; 및
    (j) 상기 (i)단계 이후 상기 OFDMA 시스템에서 상기 각 사용자에게 배분된 전송 대역을 표준화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 (j) 단계는,
    상기 OFDMA 시스템의 전송 대역보다 사용자들이 필요로 하는 전송 대역의 합이 큰 경우에만 실행되는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    상기 제1단계에서 상기 각 사용자들에게 배분된 상기 전송 출력 및 전송 대역을 기초로 하여, i번째 사용자에게 배분된 대역을 부채널 대역으로 나눈 Ni값으로 상기 각 사용자들에게 부채널을 분배하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법(N과 i는 자연수).
    Figure 112011016309713-pat00029
    (s.t. bi : i번째 사용자에게 할당된 대역, Bsub : 부채널 대역)
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2단계는,
    여러 사용자가 동일한 부채널을 동시에 선택하는 경우, 각 사용자가 해당 부채널을 통해 전송할 수 있는 bit수를 각 사용자가 전체 부채널에서 전송할 수 있는 평균적인 bit수로 나눈 값인 부채널 할당 우선 인수( Priority(n,i) )를 각 사용자별로 구한 후, 그 값이 가장 큰 사용자에게 부채널을 할당하는 것을 특징으로 하는 OFDMA시스템에서 베스트 에포트 서비스를 위한 무선 자원 관리 방법.
    Figure 112009032609823-pat00020
    (s.t. n: n번째 부채널, i : i번째 사용자
    Rn,i : i번째 사용자가 n 번째 부채널로 전송할 수 있는 bit수
    Figure 112009032609823-pat00021
    : i번째 사용자가 전체 부채널을 통해 전송할 수 있는 평균 bit수)
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