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다중 셀 환경에서 하향 링크 OFDMA 중계 네트워크를 위한 부반송파 및 전력 할당 기법
Joint Subcarrier and Power Allocation for a Downlink OFDMA Relay Network in Multi-Cell Environments 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.15 no.2, 2010년, pp.173 - 181  

최동욱 (서울대학교 전기컴퓨터공학부, 뉴미디어통신공동연구소) ,  이재홍 (서울대학교 전기컴퓨터공학부, 뉴미디어통신공동연구소)

초록
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본 논문에서는 다중 셀 환경의 OFDMA 중계 네트워크를 위한 새로운 자원 할당 기법에 대해서 제안한다. 제안된 기법에서는 기지국 간의 채널정보를 공유하여 공평성 제한을 갖으면서 전체통신용량이 최대가 되도록 수신단말기와 중계단말기에 자원을 할당한다. 계산량을 줄이기 위해 자원할당 과정은 두 부분으로 나뉘어 진행된다. 먼저 셀간 간섭을 고려하여 수신단말기와 중계단말기에 부반송파를 할당하고, 이후 중계단말기의 부반송파에 전력을 할당한다. 모의실험 결과에서 제안된 기법이 부반송파 당 더 높은 주파수 효율을 얻는 다는 것을 확인하였다. 또한 제안된 기법이 static과 greedy 기법에 비하여 오수신 확률(outage probability)이 낮음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a new resource allocation scheme for an OFDMA relay network with multicells. In the proposed scheme, by sharing the channel state information (CSI) between base stations, resources are allocated to users and relays to maximize the overall sum of the achievable rate under fa...

주제어

#Cooperative communication   #OFDMA   #fairness   #resource allocation  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 수식 (8)에 나타낸 최적화 문제의 정확한 해답을 찾는 것은 높은 계산 복잡도를 갖는다. 따라서 계산 복잡도를 줄이기 위해 차선의 부반송파 할당 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘에서 각 중계단말기의 전송 전력은 할당된 부반송파에 동일하게 사용된다.
  • 이와 같이 대부분의 기존 연구에서는 OFDMA 중계 네트워크의 단일셀 환경이 연구되었고 다중 셀 환경에서 성능열화의 주요 요인인 셀 간 간섭은 고려되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 다중 셀 환경의 OFDMA 중계 네트워크 환경을 고려한 새로운 자원할당 기법을 제시하려고 한다.
  • 본 논문에서는 다중 셀 환경에서 OFDMA 중계 네트워크를 위한 자원할당 기법을 제안하였다. 제안된 기법에서는 수신단말기가 최소통신용량을 달성하고 기지국과 중계단말기가 제한된 전력을 사용하도록 공평성 제한을 부가하였다.

가설 설정

  • )이 위치하고 있다고 가정하였다. Ji 개의 중계단말기(Relay)가 동심원 위에 대칭적으로 분포하고 있고 Ki 개의 수신단말기(User)가 셀 안에 균일하게 분포하고 있다고 가정하였다. 또한 각 단말기에는 안테나 한 개가 장착되어 있고 OFDMA 중계 네트워크의주파수 재사용 율은 1이라고 가정하였다.
  • 유사 하게 기지국 BSi와 중계단말기 Rj,i사이의 n 번째 부반송파 채널은 #, 중계단말기 Rj,i와 수신단말기 Uk,i사이의 n 번째 부반송파 채널은 #로 표현한다. 각 부채널의 대역폭은 채널의 상관 대역폭(coherence bandwidth) 보다 작아서 주파수 균일(frequency flat)하다고 가정한다. 또한 OFDM 심볼의 주기적 전치 부호(cyclic prefix)의 길이가 채널의 지연확산(delay spread)보다 길어 심볼 간 간섭 (inter-symbol interference)이 없다고 가정한다.
  • 기지국과 중계단말기는 심볼 단위로 동기화(Synchronization)되고 있고 중계단말기는 송신과 수신을 동시에 할 수 없다고 가정한다. 따라서 기지국과 수신단말기사이에서의 통신은 두 타임 슬롯으로 이루어진다.
  • 각 부채널의 대역폭은 채널의 상관 대역폭(coherence bandwidth) 보다 작아서 주파수 균일(frequency flat)하다고 가정한다. 또한 OFDM 심볼의 주기적 전치 부호(cyclic prefix)의 길이가 채널의 지연확산(delay spread)보다 길어 심볼 간 간섭 (inter-symbol interference)이 없다고 가정한다.
  • Ji 개의 중계단말기(Relay)가 동심원 위에 대칭적으로 분포하고 있고 Ki 개의 수신단말기(User)가 셀 안에 균일하게 분포하고 있다고 가정하였다. 또한 각 단말기에는 안테나 한 개가 장착되어 있고 OFDMA 중계 네트워크의주파수 재사용 율은 1이라고 가정하였다.
  • 모의실험에서는 3개의 셀로 구성된 OFDMA 중계 네트워크를 가정하였다. 각 셀은 3개의 중계단말기, 5개의 수신 단말기로 이루어졌다.
  • 셀 i의 중심에는 기지국(BSi)이 위치하고 있다고 가정하였다. Ji 개의 중계단말기(Relay)가 동심원 위에 대칭적으로 분포하고 있고 Ki 개의 수신단말기(User)가 셀 안에 균일하게 분포하고 있다고 가정하였다.
  • 채널은 T 개의 독립적인 다중경로를 갖는 주파수 선택적 레일리 페이딩(Rayleigh fading)을 겪는다고 가정하였다[8]. 기지국 BSi와 셀 i 내에 있는 k 번째 수신단말기(Uk,i) 사이의 t번째 시간영역(time domain) 채널 계수를 #, 기지국 BSi와 셀 i 내에 있는 j 번째 중계단말기(Rj,i) 사이의 t번째 시간영역 채널 계수를 #, 중계단말기 Rj,i와 수신단말기 Uk,i사이의 t번째 시간영역 채널 계수를 #라 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MIMO는 어떤 기술인가? MIMO(multiple input multiple output)는 단말기에 다중 송신안테나를 사용해 공간 다이버시티(spatial diversity)를 얻는 기법으로 차세대 이동통신의 핵심 기술로 인정받고 있다. 그러나 다중 안테나를 단말기에 탑재하는 것은 크기, 무게, 하드웨어 복잡도 등에 의해 사용이 제한적이다.
MIMO의 단점은 무엇인가? MIMO(multiple input multiple output)는 단말기에 다중 송신안테나를 사용해 공간 다이버시티(spatial diversity)를 얻는 기법으로 차세대 이동통신의 핵심 기술로 인정받고 있다. 그러나 다중 안테나를 단말기에 탑재하는 것은 크기, 무게, 하드웨어 복잡도 등에 의해 사용이 제한적이다. 이에 대한 대안으로 협동통신(cooperative communication)이 제 안되었다.
OFDMA의 장점은 무엇인가? 이에 따라 차세대 이동통신의 성능을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)는 사용하고자 하는 주파수 대역을 여러 개의 작은 주파수 대역으로 분할하여 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading)을 효과적으로 극복하는 장점이 있다. 또한 대용량의 데이터를 다중 직교 부반송파로 분할 전송함으로써 여러 명의 사용자에게 각각 다른 QoS(quality of service)를 제공할 수 있다. 따라서 사용자의 채널 상태에 따라 부반송파 및 전력을 적응적으로 할당하여 주파수 및 전력 효율을 높일 수 있다[1][2]. 이러한 장점으로 인해 OFDMA는 차세대 이동통신 후보 기술인 3GPP LTE, WiMAX Evolution 등 국제 표준에서 핵심 기술로 적용되고 있다.
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참고문헌 (14)

  1. Y. Li and G. L. Stuber, Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications. Springer, 2006. 

  2. C. Y. Wong, R. S. Cheng, K. B. Letief, and R. D. Murch, "Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit, and power allocation," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 17, no. 10, pp. 1747-1758, Oct. 1999. 

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  3. A. Sendonaris, E. Erkip, and B. Aazhang, "User cooperation diversity-Part I: System description," IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 11, pp.1927-1938, Nov. 2003. 

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  4. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W.Wornell, "Cooperative diverdiversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062-3080, Dec. 2004. 

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  5. I. Hammerstrom and A. Wittneben, "On the optimal power allocation for nonregenerative OFDM relay links," in Proc. IEEE ICC 2006, Istanbul, Turkey, June 2006, pp. 4463-4468. 

  6. R. Kwak and J. M. Cioffi, "The subchannel-allocation for OFDMA relaying downlink systems with total power constraint," in Proc. IEEE Veh. Tech. Conf. (VTC) 2008-Fall, Calgary, Canada, Sep. 2008. 

  7. G. Li and H. Liu, "Resource allocation for OFDMA relay networks with fairness constraints," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 24, no. 11, pp. 2061-2069, Nov. 2006. 

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  8. J. G. Proakis, Digital Communications, 4/e. McGraw-Hill, 2001. 

  9. S. Boyd and L. Vandenberghe, Convex Optimization. Cambridge University Press, 2004. 

  10. W. Yu and Raymond Lui, "Dual methods for nonconvex spectrum optimization of multicarrier systems," IEEE Trans. Commun., vol. 54, no. 7, pp.1310-1322, July 2006. 

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  11. D. P. Palomar and M. Chiang, "A tutorial on decomposition methods for network utility maximization," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 24, no. 8, pp.1439-1451, Aug. 2006. 

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  12. WiMAX Forum, Mobile WiMAX-Part I: A technical overview and performance evaluation, WiMAX Forum White Paper, June 2006. 

  13. W. Rhee and J. M. Cioffi, "Increase in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation," in Proc. IEEE Veh. Tech. Conf. (VTC) 2000-Spring, Tokyo, Japan, May 2000, pp. 1085-1089. 

  14. C. Y. Wong, R. S. Cheng, K. B. Letief, and R. D. Murch, "Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit, and power allocation," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 17, no. 10, pp. 1747-1758, Oct. 1999. 

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