Coverage enhancement in TDD-OFDMA downlink by using simple-relays with resource allocation and throughput guarantee scheduler = TDD-OFDMA 하향링크에서의 단순 릴레이 협력 자원 관리와 수율 보장 스케줄러를 이용한 서비스 커버리지 향상에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Simple-relay aided resource allocation (SRARA) schemes are incorporated with throughput guarantee scheduling (TGS) in order to enhance service coverage in IEEE 802.16 type time division duplex - orthogonal frequency division multiple access (TDD-OFDMA) downlink, where the amount of resources at each relay is limited due to either their much lower available power than at base station (BS) or the increase of the required overhead that relays should take.Two resource management functions are investigated: one is channel schedulers and the other is relay aided structure. First, two different packet schedulers are proposed for no-relay aided IEEE 802.16 type TDD-OFDMA downlink, which are the weighted fair scheduling (WFS) and the throughput guarantee scheduling (TGS). The performance of the proposed schedulers is compared to those of some of conventional schedulers such as round robin (RR), proportional fair (PF), fast fair throughput (FFTH), and fair throughput (FTH) in terms of service coverage, effective throughput and fairness at 64 kbps and 128 kbps minimum user throughput requirements. The proposed TGS and WFS schedulers increase the number of users per sector within 95% service coverage while satisfying the 1xEvolution data and voice (1xEV-DV) fairness criterions. At 95 % service coverage point, the proposed WFS and TGS schedulers can serve around 1.27 to 1.36 times larger number of users compared to the PF for 64 kbps user throughput requirement level. For 128 kbps level, TGS represents around twice larger service coverage than that of the PF. However, 10 to 15 % sector throughput loss is shown to be taken to achieve service coverage enhancement.Secondly, simple-relay aided resource allocation (SRARA) schemes are incorporated with TGS in IEEE 802.16 type TDD-OFDMA downlink in order to further enhance service coverage. The service coverage, effective sector throughput, and fairness performance of SRARA schemes are evaluated with both PF and TGS at 64 kbps and 128 kbps user throughput requirements when the total RS power is set to 500 mW and 1 W, which are believed to be the practical range of values. For SRARA schemes with relay station (RS) of relatively lower power (500 mW), a scheme putting total power into only one subchannel shows larger coverage than when both subchannels are used in a manner of equal power allocation, while the RS with evenly power-allocated two subchannels could provide larger coverage gain for a relatively higher RS power (1 W). Depending upon the target throughputs, it is shown which of the relay scheme or scheduler design would play more important role in improving coverage. In the lower target throughput (64kbps), more improvement comes from relay scheme rather than scheduler design. For a relatively higher level (128 kbps), it comes from scheduler design rather than relay due to the fact that simple relay can’t help using strictly limited amount of resources. In terms of effective throughput, PF scheduled SRARA schemes provide up to18 % increase of effective sector throughput compared to that of no-relay. However, TGS scheduled SRARA schemes show as much as 29 % effective sector throughput decrease than TGS scheduled no-relay scheme so that it provides more fair service and larger coverage. All of SRARA schemes can nearly meet the 1xEV-DV fairness criterions.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 IEEE 802.16 기반의 TDD-OFDMA (Time Division Duplex - Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 하향링크에서의 서비스 커버리지 향상을 위한 단순 릴레이 협력 자원 관리 (SRARA, Simple-Relay Aided Resource Allocation) 구조를 제시하고, 최소 수율이 요구되는 데이터 채널에서 수율 보장 스케줄러 (TGS, Throughput Guarantee Scheduling)가 적용되었을 때의 성능 향상을 서비스 커버리지 및 유효 섹터 수율, 공평성 측면에서 분석하였다.본 논문은 채널 스케줄러와 단순 릴레이 협력 자원 관리의 두 가지 무선 자원 관리에 관한 연구를 수행하였다. 첫째, 본 논문은 릴레이가 고려되지 않은 IEEE 802.16 기반의 TDD-OFDMA 하향링크에서의 수율 공평성 및 서비스 커버리지 보장을 위한, WFS (Weighted Fair Scheduling) 알고리즘과 TGS (Throughput Guarantee Scheduling) 알고리즘을 제안하고, RR (Round Robin), PF (Proportional Fair), FFTH (Fast Fair Throughput), FTH (Fair Throughput) 스케줄링 알고리즘과의 비교를 통한 성능 분석을 수행하였다. 제안된 알고리즘의 성능은 64 kbps와 128 kbps의 두 개의 최소 사용자 수율 요구조건에서의 서비스 커버리지, 유효 섹터 수율, 공평성 평가를 통하여 분석되었다. 제안된 TGS 및 WFS 알고리즘은 1xEV-DV (1xEVolution Data and Voice) 공평성 기준을 만족시키면서, 95 % 서비스 커버리지에서의 섹터 당 사용자 수를 증가시키는 결과를 보였다. 64 kbps 사용자 수율 요구조건에서, WFS와 TGS는 PF 스케줄러와 비교하여 약 1.27배와 1.36배의 사용자를 서비스 할 수 있으며, 128 kbps 사용자 수율 요구조건에서 TGS 스케줄러는 PF에 비하여 약 2배 이상의 커버리지 증가를 보였다. 그러나 유효 섹터 수율 측면에서, 제안된 알고리즘은 PF 스케줄러에 비하여 약 10 %에서 15 % 정도의 유효 섹터 수율 감소를 보였다.둘째, 본 논문은 서비스 커버리지 확장을 위해, 제안된 채널 스케줄러를 단순 릴레이 협력 자원 관리와 결합하였을 때의, 성능 향상을 서비스 커버리지 및 유효 섹터 수율, 공평성 측면에서 분석하였다. 본 논문에서 가정한 단순 이동 릴레이는 고정 릴레이와 달리, 송신 전력 수준이 낮고, 기지국으로부터 받은 데이터를 다른 이동 단말로 전달할 수 있는 기능만 가지며, 낮은 송신 전력 수준 때문에 제한된 개수의 부채널만을 사용할 수 있다. 모의실험에서는 PF (Proportional Fair) 및 TGS (Throughput Guarantee Scheduling) 채널 스케줄러가 고려된 SRARA 구조에 대하여, 서비스 커버리지 및 유효 섹터 수율을 평가하였다. 릴레이의 송신 전력은 500 mW와 1 W에 대해서 고려하였고, 릴레이가 사용할 수 있는 부채널의 수는 낮은 송신 전력 때문에 1개 또는 2개로 제한되었다. 서비스 커버리지 평가를 위한 사용자의 QoS 요구조건은 64 kbps 및 128 kbps로 설정하였다. 상대적으로 낮은 송신전력인 500 mW에서는, 릴레이가 1개의 부채널로 모든 전력을 다 사용하여 전송하는 방식이, 2개의 부채널로 전력을 나누어 전송하는 방식보다 커버리지 성능 향상이 우수하였다. 1 W의 경우에는, 릴레이가 2개의 부채널을 사용할 때 더 많은 커버리지를 제공하였다. 상대적으로 낮은 QoS 요구조건인 64 kbps에서는 릴레이에 의한 커버리지 향상이 스케줄러 설계에 의한 커버리지 향상보다 많았지만, 128 kbps 요구조건에서는 제한된 자원만을 활용하는 릴레이보다는 TGS에 의한 서비스 영역의 향상이 크게 나타났다. 유효 섹터 수율 측면에서, PF 스케줄러는 릴레이 구조를 사용함으로써, 1 %에서 18 % 정도의 섹터 수율 증대를 보였다. 그러나 상대적으로 더 많은 자원을 채널 상태가 안 좋은 사용자에게 할당하는 TGS 스케줄러는 릴레이를 사용할 때, 2 %에서 29 % 정도의 유효 섹터 수율 감소를 통해, 1xEV-DV 공평성 기준을 만족시키면서 1.2 배에서 2.2 배 정도 증가된 서비스 커버리지를 제공하였다.또한, 본 논문은 실제 단말이 이동하는 실-이동 (real mobile) 및 512 kbps의 높은 수율 요구조건에서의 서비스 커버리지 성능을 모의 실험을 통하여 평가하였다. 실-이동 환경으로 42 km/hr 고정 속도의 임의 이동 모델 (random walk model)이 적용되었으며, 트래픽 도착은 512 kbps의 고정 이동 모델 (constant bit rate model)이 사용되었다. 512 kbps 수율 요구조건이 적용되고 릴레이의 송신 전력이 500 mW 또는 1W로 제한된 모의 실험에서, 릴레이에 의한 커버리지 성능 향상 이득은 64 kbps 또는 128 kbps 수율 요구조건에서 얻을 수 있는 성능 향상보다 상대적으로 적었으며, 500 mW와 1 W의 릴레이 송신 전력에 대해, 1개의 부채널만 사용하는 릴레이가 2개의 부채널을 사용하는 구조보다 약간의 성능 이득을 보였다.본 연구는 채널 스케줄링 및 릴레이 협력 자원관리를 이용한 서비스 커버리지와 유효 섹터 수율, 공평성 성능에 관하여 논의 하였다. 향후에는 실제 이동 환경에서의 단말의 이동성을 인지한 채널 스케줄링 및 릴레이 협력 자원 관리에 대한 연구 및 패킷의 평균 지연 (average delay) 또는 지연 아웃티지 (delay outage) 등에 대한 성능 평가가 필요할 것으로 예상된다.