IEEE 802.16d Ranging Subsystem 환경에 적합한 랜덤 액세스 프로토콜 설계 = (A)Design of Suitable Random Access Protocol in IEEE 802.16d Ranging Subsystem

국문 초록 (Abstract)

국내 휴대 인터넷과 관련된 국제 표준인 IEEE 802.16d에서는 단말 (Subscriber Station)에서 기지국 (Base Station)에 액세스하기 위해 Ranging Subsystem을 이용하여 Initial Ranging (IR), Handoff Ranging (HR), Periodic Ranging (PR)과 Bandwidth Request (BR)를 한다. IEEE 802.16d에서의 랜덤 액세스 프로토콜은 지금까지 고려된 랜덤 액세스 프로토콜과는 기본 환경이 다른 OFDMA-CDMA 기반의 랜덤 액세스 프로토콜을 사용한다. 랜덤 액세스 프로토콜은 동시에 하나의 code-slot에 두 개 이상의 단말이 액세스를 시도하면 충돌이 발생하고 계속적인 충돌을 피하기 위해 단말 분산 알고리즘이 필요하다. 가장 많이 사용되는 단말 분산 알고리즘에는 Binary Exponential Backoff (BEB) 알고리즘이 있다.
BEB 알고리즘은 단말에서 충돌 횟수에 따라 backoff 시간을 계산하고 단말들을 분산시켜준다. 하지만 처음 액세스하는 단말의 수에 상관없이 backoff 시간 후에 액세스를 하기 때문에 공정성 문제, unstable 상태로 빠지는 문제, 그리고 자원을 낭비하는 문제 등을 가지고 있다. 그래서 IEEE 802.16d 환경에서 랜덤 액세스에서는 단말에서뿐만 아니라 기지국에서도 랜덤 액세스를 제어 할 수 있는 연구가 필요하다.
기지국에서 하나의 code-slot에 액세스하는 arrival rate를 예측하고, 예측 된 arrival rate를 이용하여 offered load와 backlogged user를 예측한다. 예측 된 offered load와 backlogged user를 이용하여 stable 상태를 유지하면서 하나의 code-slot에 액세스하는 단말의 수가 최적화 되도록 제어를 해준다.
따라서, 본 논문에서는 IEEE 802.16d의 무선 표준 규격에서 제안하는 Ranging Subsystem에서 unstable 상태로 빠지지 않고 code-slot의 문제를 해결하는 효율적인 랜덤 액세스 MAC 프로토콜을 설계하고 성능을 분석한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In IEEE 802.16d which is closely related to Wibro, a ranging subsystem is used to access Base Stations (BSs) by Subscriber Stations (SSs) for Initial Ranging (IR), Handoff Ranging (HR), Periodic Ranging (PR) and Bandwidth Request (BR). A random access protocol of IEEE 802.16d is based on the OFDMA-CDMA that is different from other random access protocols used in many conventional systems in that it uses CDMA codes to identify the SSs which are requesting for IR, HR, PR, BR. In a random access protocol collisions occur when more than one SS access one code-slot at the same time. In order to avoid repeated collisions, SSs use retransmission randomization algorithm. Generally Binary Exponential Backoff (BEB) algorithm is used for this purpose.
Using the BEB algorithm an SS calculates backoff interval in such a way that system adapts to traffic load. However, the BEB algorithm has ‘fairness problem’ and ‘fall into unstable problem’ and ‘waste of resource’, etc because it accesses independently of previous backoff intervals after a successful Tx. Since, there is a BS which has a global view of network traffic condition, it wanted be desirable for the BS to help SSs to adjust the retransmission randomization.
The BS estimates arrival rate which accesses a code-slot, offered load and the number of backlogged users using auto regressive model. Using estimated offered load and the number of backlogged users, the BS calculates optimal retransmission probability for the backlogged users.
Through computer simulations, we demonstrate that the proposed algorithm achieves an increased throughput, decreased mean and variance of access delay for the random access of ranging subsystem in the IEEE 802.16d networks.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제 1 장 서 론
• 제 2 장 IEEE 802.16d OFDMA-CDMA 환경
• 제 1 절 프레임 구조
• 제 2 절 UL-MAP 정보요소 형태
• 제 3 절 OFDMA ranging
• 제 3 장 분산 알고리즘 성능 분석
• 제 1 절 Binary Exponential Backoff 알고리즘
• 제 2 절 Initial Exponential Backoff 알고리즘
• 제 4 장 RTPC 알고리즘 설계
• 제 1 절 RTPC 알고리즘 설계를 위한 가정
• 제 2 절 Estimation 설계
• 제 3 절 RTPC 알고리즘 설계
• 제 5 장 성능 분석 결과
• 제 1 절 Arrival Rate Estimation
• 제 2 절 Normalized Arrival Rate에 대한 분석
• 제 3 절 10번의 시뮬레이션을 통한 분석
• 제 4 절 실제 Arrival Rate가 변화는 환경에서 분석
• 제 5 절 BEB 알고리즘의 Data Base에 대한 분석
• 제 6절 실제 값과 예측 값으로 제어한 결과 분석
• 제 6 장 결론 및 향후 연구 과제
• 요 약
• Abstract
• 참고문헌
• 그림 목차
• 그림2.1 Time Plan One TDD t frame
• 그림2.2 TDD frame structure
• 그림2.3 FDD bandwidth allocation
• 그림2.4 OFDMA downlink 대역폭 할당
• 그림2.5 IR transmission for OFDMA
• 그림2.6 IR 절차
• 그림2.7 PR or BR transmission for OFDMA
• 그림2.8 PR 절차
• 그림2.9 BR 절차
• 그림3.1 BEB 알고리즘
• 그림3.2 Minimum Window Size 변화, Mean Access Delay (m-6)
• 그림3.3 Maximum Window Size 변화, Mean Access Delay (m-6)
• 그림3.4 Type에 따른 발생률 변화, Mean Access Delay (m-6)
• 그림3.5 IEB 알고리즘
• 그림3.6 IEB알고리즘과 BEB 알고리즘의 Average Delay (CWmin -16, CWmax -1024)
• 그림3.7 IEB 알고리즘과 BEB 알고리즘의 Variance of Delay (CWmin -16, CWmax -1024)
• 그림3.8 Handoff 20%, PowerOn 80% 발생 했을 때, IEB 알고리즘과 BEB 알고리즘의 Average Delay
• 그림3.9 Handoff 20%, PowerOn 80% 발생 했을 때, IEB 알고리즘과 BEB 알고리즘의 Variance of Delay
• 그림5.1 Arrival Rate Estimation, no initializing (stair)
• 그림5.2 Arrival Rate Estimation, no initializing (random)
• 그림5.3 Arrival Rate Estimation, initializing (random)
• 그림5.4 Throughput of BEB and RTPC vsλ
• 그림5.5 Average Delay of BEB and RTPC vsλ(linear scale)
• 그림5.6 Average Delay of BEB and RTPC vsλ(log scale)
• 그림5.7 Standard Deviation of BEB and RTPC vsλ(linear scale)
• 그림5.8 Standard Deviation of BEB and RTPC vsλ(log scale)
• 그림5.9 Standard Deviation of BEB and RTPC vsλfor 10 simulations
• 그림5.10 Confidence Interval of BEB and RTPC vs λfor 10 simulations
• 그림5.11 Throughput of BEB and RTPC for stair case Arrival Rate variation
• 그림5.12 Backlogged user of BEB and RTPC for stair case Arrival Rate variation
• 그림5.13 Throughput of BEB and RTPC for sinusoidal Arrival variation
• 그림5.14 Backlogged user of BEB and RTPC for sinusoidal Arrival variation
• 그림5.15 Throughput of RTPC for Gopt and Ge
• 그림5.16 Average Delay of RTPC for Gopt and Ge
• 그림5.17 Throughput of BEB and Real value and Estimation value Control
• 그림5.18 Confidence Interval of BEB Real value and Estimation value Control
• 표 목차
• 표2.1 OFDMA frame duration(TF ms) codes
• 표2.2 OFDMA UL-MAP 정보요소 형태
• 표2.3 CDMA 할당 정보요소 형태
• 표4.1 RTPC 알고리즘의 재전송 확률
• 표4.2 Ranging request (RNG-REQ) message
• 표4.3 DL-MAP message format