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2 工學碩士學位論文 OFDMA 시스템에서효율적인자원할당과상향링크궤환정보축소를위한 FBL (Flexible Block-wise Loading) 알고리즘 FBLA (Flexible Block-wise Loading Algorithm) for Effective Resource Allocation and Reduction of the Uplink Feedback Information in OFDMA System 2007 년 2 월 仁荷大學校情報通信大學院情報通信工學科情報通信工學專攻宣泰亨

3 工學碩士學位論文 OFDMA 시스템에서효율적인자원할당과상향링크궤환정보축소를위한 FBL (Flexible Block-wise Loading) 알고리즘 FBLA (Flexible Block-wise Loading Algorithm) for Effective Resource Allocation and a Reduction of the Uplink Feedback Information in OFDMA System 2007 년 2 월 指導敎授 張慶熙 이論文을工學碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校情報通信大學院情報通信工學科情報通信工學專攻宣泰亨

4 이論文을宣泰亨의碩士學位論文으로認定함 2007 년 2 월 主審 : 金德經 副審 : 張慶熙 委員 : 高逸錫

5 요 약 이동통신시장의성장과함께, 무선인터넷등을포함하는패킷데이터서비스에대한수요가증가하고있다. 이러한수요의증가는빠른데이터를패킷영역에서전송하는차세대무선통신시스템및통신기술에대한연구를촉진시키고있다. 하지만현재거의모든주파수가할당되어있고, 특히낮은주파수대역은사용할수있는여지가없다. 이와같이한정된전파자원을효율적으로이용하기위하여미국을비롯한선진국에서는국가적인차원에서이를효율적으로이용하기위한기술인 CR (Cognitive Radio) 을개발하고, 이를토대로전파정책을수립하기위한활동이활발히진행되고있다. 또한다중사용자를위한 OFDMA 시스템에서열악한무선전송환경에서도, 고품질, 높은신뢰성통신을제공하기위해각사용자의채널환경에따른적절한변조방식과코딩율을선택하는 Adaptive Modulation and coding (AMC) 기술이사용된다. AMC 기술을 i

6 사용하여각단말기가최상의성능으로동작하기위해서는각단말기의하향링크에대한모든부반송파채널정보를필요로한다. 그러나한정된상향링크자원으로인하여모든부반송파의채널정보를전송하는것은부적절한다. 본논문에서는현재진행중인 IEEE WRAN 의 Functional Requirements 를분석하고, 제안된 WRAN 물리계층시스템사양을분석한다. 또한 WRAN 시스템의 LLS 시뮬레이터를구축하고, 모의실험을통하여 WRAN 환경에서각 Sub-channelization 의성능및결과를분석한다. 또한 AMC 기술을사용하여성능을극대화하기위한 FBL (Flexible Block-wise Loading) 알고리즘을 제안한다. 본논문에서제안된 FBL 알고리즘은기존의고정된 부반송파그룹에대한할당에서가변적으로부반송파그룹의 크기를조절하여 OFDMA 시스템의 Throughput 과 Fairness 성능을 향상시킨다. ii

7 Abstract The demand for packet data service using wireless communication is increasing rapidly. It is promoted to research which are next generation wireless communication system and technology for transmit that to the data in packet domain. Due to the limit of radio resource, the methodology to operate with the limited radio resource efficiency becomes important. The developed countires such as U.S.A. have investigated technologies to use radio resources efficiently nationwide (in national dimesion). Besides, the activity to establish the management policy for the efficient use of the radio resources is in progress aggressively. Futhermore OFDM Systems for multi-user use adaptive modulation and coding (AMC) which is a method that selects suitable modulation order and code rate depending on channel state of each user. Using AMC, OFDM system can provide high quality and reliabile commnunication. Base station using AMC scheme requires downlink channel information of each terminal to operate optimaly. However, it is unsutable to transmit all channel iii

8 information because uplink bandwidth of the system is limited. In this thesis, we not only analyze the proceeding functional requirements but also suggested physical layer in IEEE WRAN system. We also analyze the performances of each sub-channelization through the simulation. We also propose FBL (Flexible Block-wise Loading) algorithm to optimize the performance of AMC system. Proposed algorithm allocates sub-carrier groups dynamically to improve throughput and fairness in the OFDMA system performance. iv

9 목 차 요약 Ⅰ ABSTRACT Ⅲ 목 차 Ⅴ 그림목차 Ⅷ 표목차 Ⅹ 제 1 장서론 제 2 장상황인식 (Cognitive Radio) 시스템 Cognitive Radio Functional Requirements 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 System Overview Transmitter Receiver Frame Structure System Parameters WRAN 시스템의 Sub-channelization Diversity Sub-channelization Band-AMC Sub-channelization v

10 3.2.3 Scattered-AMC Sub-channelization Pilot Pattern 및 Channel Estimation Link-level Simulation WRAN Channel Model Delay Profile Channel Impulse Response Simulation Parameters 각 Sub-channelization 의성능분석및제안사항 Diversity Sub-channelization Band-AMC Sub-channelization Scattered-AMC Sub-channelization WRAN 환경의 Sub-channelization 문제점분석및제안사항 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 기존의상향링크정보축소알고리즘 제안된 FBL (Flexible Block-wise Loading) 알고리즘 System-level Simulation System-level Simulation 방법론 Propagation Channel Model 시뮬레이션을위한주요고려사항 시스템 A 의간섭모델 vi

11 Pathloss 모델 Log-normal Shadowing 모델 Log-normal Fading 및 Background Noise System-level Simulation 환경및파라미터 성능비교를위한 System Model Simulation Results 제 5 장결론 참고문헌 vii

12 그림목차 그림 2.1. 주파수이용도 그림 3.1. 송신기시스템구성도 그림 3.2. 수신기시스템구성도 그림 3.3. WRAN 시스템의하향링크프레임구조 그림 3.4. 수퍼프레임의프리앰블구조 그림 3.5. AMC (Adaptive Modulation and Coding) 절차 그림 3.6. Band-AMC 부채널구조 그림 3.7. Scattered-AMC 부채널구조 그림 3.8. WRAN 시스템의파일럿패턴및채널추정방법 그림 3.9. WRAN PROFILE-B 와 PROFILE-C 채널의 Amplitude 그림 WRAN 다중경로페이딩채널의임펄스응답 그림 WRAN PROFILE-B 채널환경에서의다이버시티부채널 그림 WRAN PROFILE-C 채널환경에서의다이버시티부채널 그림 WRAN PROFILE-B 채널환경에서의 Band-AMC 부채널 그림 WRAN PROFILE-C 채널환경에서의 Band-AMC 부채널 그림 WRAN PROFILE-B 채널환경에서의 Scattered-AMC 부채널 그림 WRAN PROFILE-C 채널환경에서의 Scattered-AMC 부채널 viii

13 그림 WRAN PROFILE-B 채널환경에서의 WRAN 시스템의각부채널 그림 WRAN PROFILE-C 채널환경에서의 WRAN 시스템의각부채널 그림 4.1. 제안된알고리즘수행절차 그림 4.2. 제안된알고리즘의클러스터구조및수행예 그림 4.3. 제안된알고리즘의피드백신호형식 그림 Sector Antenna Pattern 그림 4.5. 수식을이용하여구한 3 Sector Antenna Pattern 그림 4.6. Center Cell Antenna Bearing Orientation Diagram 그림 Tier Cell Environment (3 Sectors / 1 Cell) 그림 4.8. PROFILE-B 채널에서각시스템모델간의 Sector Throughput. 65 그림 4.9. PROFILE-B 채널에서각시스템모델간의 Fairness 그림 PROFILE-C 채널에서각시스템모델간의 Sector Throughput 68 그림 PROFILE-C 채널에서각시스템모델간의 Fairness 그림 PROFILE-C 채널에서 Outage Probability ix

14 표목차 표 2.1. IEEE WRAN 물리계층요구사항 표 3.1. IEEE WRAN 시스템파라미터 표 3.2. IEEE WRAN Delay Profile 표 3.3. IEEE WRAN Link-level Simulation Parameters 표 3.4. Simulation Data Block Size 표 3.5. 다이버시티부채널의 PER Table 표 3.6. Band-AMC 부채널의 PER Table 표 3.7. Scattered-AMC 부채널의 PER Table 표 3.8. WRAN 시스템의각부채널별 PER Table 표 4.1. 기본 OFDM 시스템변수 표 Tier 다중셀환경의시스템레벨간섭분석시뮬레이션 Parameters 표 4.3. 성능비교를위한 System Model x

15 제 1 장서 론 제 1 장 서 론 이동통신시장의성장과함께, 무선인터넷등을포함하는패킷데이터서비스에대한수요가증가하고있다. 이러한수요의증가는빠른데이터를패킷패킷영역에서전송하는차세대무선통신시스템에대한연구를촉진시키고있다. 하지만현재거의모든주파수가할당되어있고, 특히낮은주파수대역은사용할수있는여지가거의없다. 전파자원은국가의무형자산으로자원이한정되어있는반면에이에대한수요가급증하면서전파자원의가치가점점높아지고있기때문이다. 특히, 국내의경우 IT839 전략으로추진중인 WiBro (Wireless Broadband), DMB (Digital Multimedia Broadcasting), Home Network, Telematics (Telecommunication Informatics), WCDMA (Wide Code Division Multiple Access), RFID/USN (Radio Frequency Identification / Ubiquitous Sensor Network) 등무선주파수를이용하는새로운서비스가증가하면서주파수자원에대한중요성은더욱강조되고있다. 이와같이한정된전파자원을효율적으로이용하기위하여미국을비롯한선진국가에서는국가적인차원에서이를효율적으로 1

16 제 1 장서 론 이용하기위한기술을개발하고, 이를토대로전파정책을수립하기위한활동이활발히진행되고있으며, 종래의전파정책이정부가정책을세우고이를관리하는 Command-and-Control 위주였다면향후의전파정책은 Open Spectrum 정책으로전환될것으로전망된다. 기존에사용하는전파자원의이용효율을향상시키기위하여최신의무선통신기술을활용하여전파자원의이용효율을극대화하고자하는방안으로 CR(Cognitive Radio) 기술이 Joseph Mitola III 에의하여제안되었다 [1]. CR(Cognitive Radio) 기술은스펙트럼이용효율을향상시키기위하여 SDR (Software Defined Radio) 기술을발전시킨개념으로지금까지일부분야에서제안된 RFID 의 LBT(Listen Before Talk) 또는 WLAN 에서의 DFS (Dynamic Frequency Selection) 등은초보적인수준의 CR 에해당되나이를체계적으로정립한것은 Joseph Mitola III 에의해서다. CR 기술을전파자원에응용하기위해서는전파의이용스펙트럼을관측하고, 관측된스펙트럼정보로부터 Spectrum Hole ( 또는 White Space) 을찾는다. 이과정에서 White Space 의대역폭을결정하고통신하고자하는상대방과의통신절차등은별도로정하여야한다. 또한전력제어나대역폭에따른전송방식, 전송속도등도협의하여야하고, 우선사용자가있는경우다른주파수로바꾸는방법에대한연구가필요하다. 2

17 제 1 장서 론 세계여러나라에서주파수에대한연구가활발하게진행되는가운데특히미국은현재주파수문제로가장많은어려움을겪고있는나라중의하나로 2004 년상무성과 FCC 를중심으로 국가경쟁력향상을위한 21 세기전파정책, 주파수이용효율제고를위한임대제도의도입 정책을추진중이다 년 6 월 FCC 의장 Powell 은새로운전파관리체계를수립하기위해 Spectrum Policy Task Force 를구성, 10 월에는 Broadband Migration III: New Directions in Wireless Policy 를발표하는등주파수의이용효율을극대화하는새로운주파수관리의필요성을제시하여수요자중심의스펙트럼관리정책의수립을권고하였다. 또한 FCC 에서는 2003 년 12 월에주파수사용효율을올리고자 NPRM (Notice of Proposed Rule Making) 을통하여비어있는주파수에대한중복사용가능성에대한내용을발표하였다. 상공부장관을중심으로한주파수 Task Force 를전파관리제도의현대화및개선, 효율적인주파수이용유도, 신규서비스및공공안전을위한정책툴개발, 그리고국가안보및공공안전용주파수확보를위하여 2004 년 6 월 미국의 21 세기주파수정책 (Spectrum Policy for the 21st Century) 을마련하였다. 현재미국연방통신위원회 (FCC) 는 SDR ( 소프트웨어기반이동통신 ) 다음단계로 900 MHz, 2.4 GHz, 5 GHz 대에 CR 기술도입을추진하고있고, TV 방송일부주파수대에도 CR 적용을검토하고있다. 3

18 제 1 장서 론 그리고현재국제표준화단체인 IEEE WRAN (Wireless Regional Area Network) 에서는상황인식기술을접목시킨이동성이없는고정환경에서의통신시스템에대한회의가진행중에있다. 본논문에서는현재진행중인 IEEE WRAN 의 Functional Requirements 를분석하고, 제안된 WRAN 물리계층시스템사양을분석한다. 또한 WRAN 시스템을 LLS 시뮬레이터를구축하고모의실험을통하여 WRAN 환경에서의 AMC 기술의성능및결과를분석한다. 또한 OFDMA 시스템에서각사용자의채널환경에따른적절한변조방식과코딩율을선택하기위한 Adaptive Modulation and Coding (AMC) 를사용하기위한상향링크정보축소알고리즘을분석하고, 기존의방식보다효율적인상향링크정보축소알고리즘을제안한다. 본논문의구성은다음과같다. 2 장에서는 CR (Cognitive Radio) 시스템및 WRAN 시스템의 Functional Requirements 를분석하고, 3 장에서는 WRAN 물리계층전송규격및 WRAN 채널환경에적합한적응형 Sub-channel 구성방법및운용방법분석한다. 그리고모의실험을통하여각각의 Sub-channelizaiton 에대한성능을비교한다. 4 장에서는 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘을분석하고, 새로운상향링크정보축소알고리즘을제안한후, 모의실험을통하여제안된알고리즘의우수성을검증한다. 그리고 5 장에서결론을맺는다. 4

19 제 2 장상황인식 (Cognitive Radio) 시스템 제 2 장상황인식 (Cognitive Radio) 시스템 2.1 Cognitive Radio 무선통신의큰이슈중의하나는어느주파수를사용하는것인가하는문제이다. 개인용근거리무선기기들은대부분비허가 (unlicensed) 공용주파수대역을사용하고있다. 허가없이사용하는주파수대역은한정되어있고, 나머지부분은거의다른용도로할당되어있다. 그림 2.1. 주파수이용도 Fig Utilization of Frequency 5

20 제 2 장상황인식 (Cognitive Radio) 시스템 이와같이새로운무선통신시스템을구현하려는경우, 수 GHz 내에서신규주파수할당도어렵고무상으로사용하는부분은제한되어있어서이종기기간의주파수간섭이야기되고있다. 하지만, 그림 2-1 에서와같이미국캘리포니아버클리지역에서의주파수사용현황을보면상황은조금달라진다. 그림 2.1 에서보이는바와같이 2 GHz 이상에서는많은주파수가사용되고있지않으며, 1 GHz 이하의 TV 주파수대역에서도부분적으로사용되지않는주파수들이있다 [1-5]. 이와같은문제의해결방안으로기존에사용하는전파자원의이용효율을향상시키기위하여최신의무선통신기술을활용하여전파자원의이용효율을극대화하고자하는방안으로 CR (Cognitive Radio) 기술이 Joseph Mitola III 에의하여제안되었다. CR (Cognitive Radio) 기술은주파수대역 Sensing 을통하여순시적으로비어있거나사용되지않고있는대역의경우, 기존의시스템에간섭신호를발생시키지않는범위내에서이를사용하는기술로서, 현재연구되고있는차세대무선이동통신기술과더불어사용될수있는개념이다. 2.2 Functional Requirements IEEE WRAN 의목표는 Cognitive Radio 를기반으로 TV 주파수 대역을사용하고, 이기술을바탕으로시스템을구축하는데있다. IEEE 6

21 제 2 장상황인식 (Cognitive Radio) 시스템 WRAN 의사용대상은유선인터넷의설치가어려운미국이나캐나다의도시외곽지역이나개발도상국이다. 정지중인사용자에게패킷 (Packet) 데이터를전송한다는측면에서보면 IEEE WRAN 의사용자는이동성이없는 IEEE FWA (Fixed Wireless Area) 의대상과유사하나, 목표시장에서다소차이가있다. IEEE WRAN 은인구밀도가 IEEE WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) 에서보다낮은지역에서사용된다. 이런면에서현재무선단말기제조업체나무선통신사업자들에게는시장규모가현재사용되고있는시장보다상대적으로작아서많은관심을끌지못할것으로예상되지만, Cognitive Radio 라는새로운개념의통신방식이처음으로표준화가진행되고, 이의개량된형태가차세대무선통신기술과접목하여사용될수있기때문에많은회사들이관심을가지고있다. 또한현재사용되고있는방송주파수대역을그대로사용할수있다는점이 Cognitive Radio 시스템의장점이다. 그러나 BS (Base Station) 의 Cognitive Radio 구현을위한추가복잡도, 그리고 VHF 대역을사용할경우의수신기의안테나크기문제, 공용주파수사용으로인한서비스의안정성 (QoS : Quality of Service) 등도고려되어야할사항이다. 표 2.1 은 IEEE WRAN 의물리계층요구사항을나타낸것이다 [5]. 각나라별 TV Bands 는상이하기때문에 IEEE WRAN 물리계층요구사항의 BW 는 6, 7, 8 MHz 로정의하였다. 7

22 제 2 장상황인식 (Cognitive Radio) 시스템 표 2.1. IEEE WRAN 물리계층요구사항. Table 2.1. Requirements of IEEE WRAN PHY. Items Value Service Range Frequency Range 33 ~ 100 km 54 ~ 862 MHz (VHF/UHF TV Bands) Data, Voice, Video Wide Range of Services Residential, SME (Small & Medium Enterprises), SOHO (Small Office / Home Office) Band Width Capability Service Availability TV Band (6, 7, 8 MHz) Similar to ADSL & Cable Modem over Less Popular Rural Areas 50 % (Location) / 99.9 % (Time) Spectral Efficiency Required Minimum Peak Throughput Rate at Edge of Coverage 0.5 bps/hz (Minimum) / 5 bps/hz (Typical) 1.5 Mbps (Forward) / 384 kbps (Reverse) 8

23 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 3.1 System Overview Transmitter 그림 3.1. 송신기시스템구성도. Fig Transmitter System Block Diagram. CPE(Customer Premises Equipment) 의 Tx System 구성은그림 3.1 과 같다. CPE 에서송신단은파라미터설정및송신기를전반적으로 제어하는 Tx Controller 와상위계층과의인터페이스를형성하여물리 9

24 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 채널로전송될데이터블록을저장하는 Tx Buffer 와 Tx Buffer 로부터물리채널데이터블록을입력받아스크램블링, 채널부호화및인터리빙을수행하는 Encoding Processor 와 Encoding Processor 출력비트열로부터변조및심볼매핑을수행하고프리앰블, 파일롯등을생성하며, 프레임구조에따라자원인덱스를물리인덱스로매핑한뒤 OFDM 변조를수행하는 Tx Processor 로구성된다 Receiver 그림 3.2. 수신기시스템구성도. Fig Receiver System Block Diagram. CPE의 Rx System 구성은그림 3.2과같다. CPE에서수신단은파라미터설정및단말복조기를전반적으로제어하는 Rx Controller와동기를추정하고 OFDM 복조및프레임구조에따른물리인덱스디매핑을통해단말에서처리해야할물리채널및물리채널인덱스로수신된데이터를추출하고, 부호화되지않은 10

25 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 물리채널을복조하며, 채널추정및채널상태정보를추정하는 Rx Processor와부호화가된물리채널에대해서물리채널, 물리채널인덱스별로심볼디매핑및채널부호화의역과정을수행하는 Decoding Processor와 Decoding Processor가내보내는데이터블록을저장하면서상위계층과의인터페이스를형성하는 Rx Buffer로구성된다 Frame Structure... Superframe n-1 Superframe n Superframe n+1... Time Preamble SCH frame 0 frame 1... frame m Occupied by Incumbent Occupied by Incumbent Frequency TV Channel t-1 TV Channel t TV Channel t+1 Preamble SCH Preamble SCH Preamble SCH Frame 0 Frame 1... Frame m-2 (Quiet) Frame m-1 Frame m Preamble SCH Preamble SCH... Frame 0 Frame 1 Frame n Occupied by Incumbent Time 그림 3.3. WRAN 시스템의하향링크프레임구조. Fig Downlink Frame Structure of WRAN System. 11

26 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 그림 3.3은 IEEE WRAN 시스템의하향링크프레임구조를나타낸다. 전체하향링크프레임구조는크게수퍼프레임, 프레임, 슬롯의 3가지로구성된다 [6,7]. 수퍼프레임 (Superframe) 은 m개의 Frame과 Preamble로구성되며수퍼프레임의 Preamble은모든 Sub-groups 의 SINR 값을측정하고이값을기지국에 Feedback 하여채널의상태를파악한다음 Band-type AMC, Scattered AMC 및 Diversity 부채널할당기법중하나를선택한다. 또한 Spectrum Sensing 주기는수퍼프레임단위로가정하고, 주기는수퍼프레임의 N 배수로써상황에따라 MAC 에서 N 값을조정한다. 1 Traffic 슬롯동안 1 RF 채널에대하여 Spectrum Sensing 을수행한다. 그래서프레임 # 0 ~ # 4 와 Overhead 가포함된 Traffic 슬롯을제외한 # 1 ~ # 3 까지의조합으로총 15 개 RF 채널에대하여 Spectrum Sensing 을수행할수있다. ST 1 ST 2 ST 3 ST 4 ST 5 GI LT 1 LT 2 T SYM T SYM 그림 3.4. 수퍼프레임의프리앰블구조. Fig Preamble Structure of Superframe. 12

27 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 그림 3.4 는수퍼프레임의프리앰블구조를나타낸다. IEEE WRAN System 에는수퍼프레임프리엠블과프레임프리앰블이 존재한다. IEEE WRAN System 에서프리앰블은 2 심볼로 구성되어있으며, 1 번째심볼에서는 5 번반복되는 Short Training Sequence 로구성되어있고 2 번째심볼은 2 번반복되는 Long Training Sequence 로구성되어있다. 수퍼프레임의프리앰블중 ST 는 Synchronization, AGC 및 Cell ID Detection 을위해사용되며, LT 는 Channel Estimation 과 Fine Frequency Offset Estimation 에사용된다. 또한프레임의프리앰블중 ST 는선택사항으로정의되어있으며, LT 는 Channel Estimation, SINR Measurement 및 Fine Frequency Offset Estimation 에사용된다 System Parameters 표 3.1 은 IEEE WRAN 에서제시한 System Parameter 를나타낸다. 1 ~ 6K 의 FFT Size 를통해 Flexible BW Allocation 을가능하게한다. 표 3.1 에서 Bandwidth Efficiency 는아래의수식을이용하여계산되고, CP (Cyclic Prefix) 의길이는심볼의 1/4 을가정하였다. Bandwidth Efficiency = Subcarrier Spacing * (Number of Used Subcarriers + 1)/BW (3-1) 13

28 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 표 3.1. IEEE WRAN 시스템파라미터. Table 3.1. IEEE WRAN System Parameters. Mode 1K 2K 3K 4K FFT Size Bandwidth (k=1, 2,, 6) No. of Used Subcarriers (including pilot, but not DC) Sampling Frequency MHz 140 * k 280 * k 560 * k 840 * k 48/7 MHz Subcarrier Spacing khz khz khz khz Occupied Bandwidth khz *140*k khz *280*k khz *560*k khz *840*k FFT Time us us us 896 us Cyclic Prefix Time us us us 224 us OFDMA Symbol Time us us us 1120 us 14

29 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 3.2 WRAN 시스템의 Sub-channelization 본절에서는 WRAN 시스템의 Sub-channel Mode 에대하여설명한다. Sub-channel Modes 는 Band-type AMC, Scattered AMC & Diverstiy Mode 로구분되며, 이중 Band-type AMC 와 Scattered AMC 는 DCA (Dynamic Channel Allocation) 즉, 동적채널할당을고려한 AMC 구조를가지며, Diversity Mode 는랜덤채널할당을고려한 AMC 구조를가진다 [6]. 랜덤채널할당이란주파수영역에서채널이빠르게변하는경우동적채널할당을고려하기어렵기때문에사용자로부터최소한의채널정보만을받아사용자에게채널을랜덤하게할당하는기법이다. 그리고동적채널할당이란 BS (Base Station) 에서사용자로부터일정주기마다 feedback 받은 CSI (Channel State Informaion) 를바탕으로사용자에게좋은채널을할당함으로서시스템의 Throughput 및주파수효율을향상시키는장점을가지는기법이다. 하지만주파수영역에서채널이빠르게변하는경우에는사용자가 feedback 해야하는 CSI 량이너무많아지는단점으로인해오히려시스템의 Capacity 를감소시킨다 Diversity Sub-channelization Diversity 부채널할당기법은랜덤채널할당을수행한다. Diversity 15

30 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 부채널은채널이빠르게변하는경우에는동적채널할당을고려할경우사용자가 feedback 해야하는 CSI 량이너무많아지는단점으로인해오히려시스템의 Capacity 를감소시키는상황에서사용한다. Diversity 부채널을할당하기위해, 분산된 12 개의 Sub-carrier 를 1 빈으로구성한다. 각부채널은위에구성된연속된 4 개의빈으로 이루어진다. 각부채널할당은 Pilot Sub-carrier 를할당한후 Data Sub-carrier 를할당하게된다. Diversity 를구성하는정확한방법은아래의 수식을이용하여구성한다 [8]. The sub-carrier index of sub-carrier k in BIN b subcarrier(k,b) = N bin*k + N subchannel * (b%4) + int(b/4) (3-2) where, b is the index of BIN, from 0 to N bin-1 k is the index of subcarrier in BIN, from 0 to N subcarrier-1 N subchannel is the number of subchannel in one OFDMA symbol int(x) is the integer value of x 각부채널에대한할당이끝나면부채널내의반송파에대한 인덱싱은다음과같은과정을통하여이루어진다. 1. 부채널에포함되는부반송파들을낮은인덱스순서로 16

31 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 인덱싱한다. 이때한부채널에포함된파일럿반송파는제외되므로반송파의인덱스는 0 ~ 47 이된다. 2. 위 1 번과같이인덱싱을마친후실제로각반송파에데이터가매핑되는순서는아래와같은수식에의해서결정된다. ( ) ( ) Data Sub carrier n = n + 13 s mod 48 where, n = s : Index of Sub channel (3-3) Band-AMC Sub-channelization Band-AMC 와 Scattered-AMC 는동적채널할당방법을사용한다. Band-AMC 및 Scattered AMC 는그림 3.5 에나타난바와같이 3 단계로 이루어진다. 1 단계 : 사용자가요구하는서비스가시스템에서수용할수있는범위를초과한경우, 그중각사용자별평균채널이득을고려하여이값을기준으로이득이높은순서로우선적으로서비스한다. 17

32 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 그림 3.5. AMC (Adaptive Modulation & Coding) 절차 Fig AMC (Adaptive Modulation & Coding) Procedure 2 단계 : 1 단계를거친후정해진사용자에게 Sub-channel을할당하는단계로서, ACG (Amplitude Craving Greedy), IACG (Improved Amplitude Craving Greedy) 및 Best Channel Selection per user considering fairness 3 가지로분류된다. 3 단계 : 상기단계를거친후각 Sub-channel 에전력을할당하는단계로서, Optimal Power (Water Filling), Equal Power per User, Equal Power per Sub-channel 및 Power Control Allocation 의 4 가지로구분된다. 18

33 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 본논문에서는 1 단계를거친후사용자들간공평성및 Throughput 을최대화시키기위하여 2 단계에서의 Sub-channel 할당은 Best Channel Selection per user considering fairness 기법을선택한다. 3 단계에서의전력할당에서 Optimal Power (Water Filling) 는가장좋은성능을보이지만 Equal Power per User 에비하여계산량은많고두드러진성능향상을보이지않기때문에 Equal Power per User 를선택한다 [9-13]. Band-AMC 는주파수영역의채널변화가적은상황에서이용한다. 주파수영역의채널변화가적을경우 CPE 가 BS (Base Station) 에 feedback 해야할 CSI 량이적으므로동적채널할당의수행이가능하다. 그림 3.6 은 WRAN 시스템의 Band-type AMC 구조를나타낸다. Band-type AMC 부채널구조의가장기본적인단위는 BIN 으로서, 주파수영역에서 14 개의연속된 Sub-carrier 가모여서구성된다. 그리고주파수영역에서 4 개의연속된 BIN, 즉, 56 개의연속된 Sub-carrier 가모여서하나의 Band 를이루며, FFT Size 가 2048 인경우전체 30 개의 Band 로구성된다. 사용자는 Band 단위로 CSI 를 BS 에 Feedback 하고, 요구하는서비스에따라한 Band 또는그이상을사용한다. 이로써 Multi-user Diversity 이득및 Implicit Frequency Diversity 이득을얻음으로시스템의 Throughput 및주파수효율을향상시키는장점을가진다. 19

34 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 그림 3.6. Band-AMC 부채널구조. Fig Band-AMC Sub-channelization Structure. Band-AMC 는부채널에대한할당이끝나면각부채널내의반송파에 대한인덱싱은다음과같은과정을통하여이루어진다 [8]. S off per ( j) ( ) per ( ) ( ) Pper j + iff P j + off 0 = off Pper j + off = 0 (3-4) 여기서 P per (j) per 에의해왼쪽방향으로순환하며천이된기본순열 P 0 의 20

35 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 j 번째요소 P 0 GF(72) 에규정된기본순서 : {01,22,46,52,42,41,26,50,05,33,62,43,63,65,32,40,04,11,23,61,21,24,1 3,60,06,55,31,25,35,36,51,20,02,44,15,34,14,12,45,30,03,66,54,16,56,5 3,64,10} 7 진표기 per = PermBase mod 78 off = (PermBase/48) mod 49. 이필드는 GF(72) 의요소이다 Scattered-AMC Sub-channelization Scattered AMC 는 Band-AMC 와마찬가지로동적자원할당을사용한다. Scattered-AMC 부채널은 Band-AMC 보다주파수영역에서의채널이좀더빠르게변하는환경에서사용한다. Scattered-AMC 부채널구조는 Band-AMC 와마찬가지로가장기본적인단위는 BIN 으로서, 주파수영역에서 14 개의연속된 Sub-carrier 가모여서구성되며, BIN 은 12 개의연속된 Data Sub-carrier 와채널추정을위한 2 개의 Pilot Sub-carrier 로이루어진다. 그리고 Band-AMC 와는다르게주파수영역에서 1 개이상의연속된 BIN 이모여서하나의 Band 를이루며, FFT Size 가 2048 인경우전체 120 개의 Band 로구성된다. 그림 3.7 은 WRAN 시스템의 Scattered-AMC 구조를나타낸다. 21

36 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 그림 3.7. Scattered-AMC 부채널구조. Fig Scattered-AMC Sub-channelization Structure. Scattered-AMC 는부채널에대한할당이끝나면각부채널내의 반송파에대한인덱싱은 Band-AMC 와같은과정을통하여이루어진다. Scattered-AMC 는 Band 단위로 CSI 를 BS 에 Feedback 하고, 요구하는서비스에따라 Band 별로할당하는 Band-type AMC 부채널구조와는다르게 BIN 혹인 Scattered-Band 별로할당한다. 이로써 Multi-user Diversity 이득및 Frequency Diverstiy 이득을얻음으로시스템의 Throughput 및주파수효율을향상시키는장점을가진다. 그러나 22

37 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Scattered-AMC BIN 단위로 CSI 를 BS 에 Feedback 하기때문에 Uplink 의 주파수효율을감소시키는요인이되고있다. 따라서 CSI 를줄이는 기법이필요하다. 본논문에서는상향링크정보인 CQI 를줄이면서 시스템의성능을극대화하는기법을제안하고자한다 Pilot Pattern 및 Channel Estimation 그림 3.8. WRAN 시스템의파일럿패턴및채널추정방법. Fig Pilot Pattern of WRAN System & Channel Estimation Method. 23

38 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 WRAN 시스템의 Diversity, Band-AMC, Scattered-AMC 는모두동일한파일럿패턴을가지고있다. 그림 3.8 은 WRAN 시스템의파일럿패턴및채널추정방법을도식화한것이다. WRAN 시스템의파일럿패턴은 1 서브프레임단위로반복되는구조를가진다. 1 서브프레임은 7 심볼로구성되어있고, 각심볼의파일럿위치는그림 3.8 과같다. WRAN 시스템이운용되는환경은 CPE 와 BS 가고정되어있는상황이므로채널상황이빠르게변하지않는특성을가지고있다. 그림 3.8 의파일럿패턴은 WRAN 시스템이운용되는채널상황이고려된것이다. 이와같은파일럿패턴을가지고채널을추정하는방법은 1 서브프레임단위로각심볼에위치해있는 Pilot 을모두 Copy 하는방법을사용한다. 그림 3.8 의 Pilot Pattern 을사용하면 7 심볼동안모든 Data Sub-carrier 자리에 1 개의 Pilot carrier 가위치하게됨으로써 Interpolation 에의한채널추정오류를줄일수있다. 3.3 Link-level Simulation 본절에서는 WRAN 시스템의채널모델을적용한시스템의모의 실험성능및결과를분석한다 WRAN Channel Model 24

39 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Delay Profile 표 3.2. IEEE WRAN Delay Profile. Table 3.2. IEEE WRAN Delay Profile. PROFILE A Path 1 Path 2 Path 3 Path 4 Path 5 Path 6 Relative Delay (µsec) Average Power (db) Doppler Frequency (Hz) PROFILE B Path 1 Path 2 Path 3 Path 4 Path 5 Path 6 Relative Delay (µsec) Average Power (db) Doppler Frequency (Hz) PROFILE C Path 1 Path 2 Path 3 Path 4 Path 5 Path 6 Relative Delay (µsec) Average Power (db) Doppler Frequency (Hz) PROFILE D Path 1 Path 2 Path 3 Path 4 Path 5 Path 6 Relative Delay (µsec) to 60 Average Power (db) to 10 Doppler Frequency (Hz)

40 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Tapped-delay-line 파라미터에따른채널의임펄스음답특성은 WRAN 시스템의채널모델을참조한다. 표 3.2 는 IEEE 의 WRAN 시스템 Delay Profile 을나타낸다 [7] Channel Impulse Response 그림 3.9 는 WRAN Delay Profile 을적용한 Multi-path Fading 채널중 PROFILE-B 와 PROFILE-C 의채널값을도식화한것이다. 위의표 3.2 에서예상할수있듯이 PROFILE-C 가 PROFILE-B 보다채널상황이좋치않은것을알수있다. 그림 3.9. WRAN PROFILE-B 와 PROFILE-C 채널의 Amplitude. Fig Channel Amplitude of WRAN PROFILE-B and PROFILE-C. 26

41 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 그림 3.10 은 WRAN Delay Profile 을적용하여 Channel 의 Impulse Response 를그린것이다. 그림에서확인할수있듯이표 3.2 의 Delay Profile 이정확하게적용된것을볼수있다. 그림 WRAN 다중경로페이딩채널의임펄스응답. Fig WRAN Multi-path Fading 채널의 Impulse Response Simulation Parameters 27

42 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 표 3.3 은본과제에서에서사용한시뮬레이션 Parameter 를나타낸다. IEEE WRAN 의 Ssystem Parameter 를고려하여 Carrier Frequency 는 617 MHz 로설정하였다. System Bandwidth 는 6 (MHz) 로설정하였고 FFT size 는 2048 로설정하였다. 표 3.3. IEEE WRAN Link-level Simulation Parameters. Table 3.3. IEEE WRAN Link-level Simulation Parameters. Parameter Center Frequency System Bandwidth Value 617 (MHz) 6 (MHz) Total no. of Sub-carriers, N FFT 2048 No. of Guard Sub-carriers, N G 368 No. of Data Sub-carriers, N D 1440 No. of Pilot Sub-carriers, N P 240 No. of Sub-carriers, N T =N D +N P 1680 No. of Sub-carriers per BIN 14 (12 datas + 2 pilots) No. of BIN per Sub-channel 4 No. of Sub-carriers / Sub-channel Sub-channelization 56 (48 datas + 8 pilts) Diversity, Band-AMC, Scattered-AMC 28

43 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 표 3.4 는 Simulation 에사용한 Data Block Size 를나타낸다. 표 3.4. Simulation Data Block Size. Table 3.4. Simulation Data Block Size. MCS Level Nep QPSK 1/2 288 QPSK 2/ QAM 1/ QAM 2/ QAM 1/ QAM 2/ 각 Sub-channelization 성능및결과분석 본절에서는 WRAN 환경에서의각 Sub-channelization 의성능을 시뮬레이션을통하여보이고, 이를바탕으로 DL AMC 기술에대한결과를분석한다. AMC 기술의성능은 WRAN PROFILE-B 와 PROFILE-C 채널을통하여검증하고, 시간영역에서의채널변화를고려하여속도는 3 km/h 를고려한다. 29

44 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Diversity Sub-channelization 그림 3.11 ~ 그림 3.12 는 WRAN PROFILE-B 와 PROFILE-C 에서 Diveristy Sub-channelization 에대한 PER (Packet Error Rate) 성능그래프를 나타낸것이다 WRAN Diversity under WRAN PROFILE-B 3Km/h 10-1 QPSK CTC 1/2 QPSK CTC 2/3 16QAM CTC 1/2 16QAM CTC 2/3 64QAM CTC 1/2 64QAM CTC 2/3 Packet Error Rate (PER) SNR (db) 그림 WRAN PROFILE-B 채널환경에서의다이버시티부채널. Fig Diversity Sub-channelization in WRAN PROFILE-B. 30

45 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Packet Error Rate (PER) WRAN Diversity under WRAN PROFILE-C 3Km/h QPSK CTC 1/2 QPSK CTC 2/3 16QAM CTC 1/2 16QAM CTC 2/3 64QAM CTC 1/2 64QAM CTC 2/ SNR (db) 그림 WRAN PROFILE-C 채널환경에서의다이버시티부채널. Fig Diversity Sub-channelization in WRAN PROFILE-C. 그림 3.11 과 3.12 은 WRAN 시스템에서 Diversity Sub-channelization 을사용했을때의성능을나타낸다. 각각 QPSK, 16QAM, 64QAM Modulation Order 를사용하여 Code Rate 을달리적용한성능이다. 그림에서확인할수있듯이 QPSK 는 16QAM 과 64QAM 보다유클리언스거리가크기때문에좋은성능을나타냄을확인할수있다. 31

46 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 표 3.5 는 WRAN Diveristy Sub-channelization 에서 Taget PER 을 10-2 으로 설정하였을때의 SNR 성능을나타낸다. 표 3.5 에서확인할수있듯이 채널상황이좋치않은 PROFILE-C 에서성능이나쁘게나타남을 확인할수있다. 표 3.5. 다이버시티부채널의 PER Table. Table 3.5. Diversity Sub-channelization PER Table Band-AMC Sub-channelization 그림 3.13 ~ 그림 3.14 은 WRAN PROFILE-B 와 PROFILE-C 에서 Band-AMC Sub-channelization 에대한 PER (Packet Error Rate) 성능 그래프를나타낸것이다. 32

47 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 WRAN Band-AMC under WRAN PROFILE-B 3Km/h 10-1 QPSK CTC 1/2 QPSK CTC 2/3 16QAM CTC 1/2 16QAM CTC 2/3 64QAM CTC 1/2 64QAM CTC 2/3 Packet Error Rate (PER) SNR (db) 그림 WRAN PROFILE-B 채널환경에서의 Band-AMC 부채널. Fig Band-AMC Sub-channelization in WRAN PROFILE-B. 그림 3.13과 3.14 는 WRAN 시스템에서 Band-AMC Sub-channelization 을 PROFILE-B 채널과 PROFILE-C 채널에서의성능을나타낸다. 각각 QPSK, 16QAM, 64QAM Modulation Order 를사용하여 Code Rate 을달리적용한성능이다.. 33

48 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Packet Error Rate (PER) WRAN Band-AMC under WRAN PROFILE-C 3Km/h QPSK CTC 1/2 QPSK CTC 2/3 16QAM CTC 1/2 16QAM CTC 2/3 64QAM CTC 1/2 64QAM CTC 2/ SNR (db) 그림 WRAN PROFILE-C 채널환경에서의 Band-AMC 부채널. Fig Band-AMC Sub-channelization in WRAN PROFILE-C. 표 3.6 은 WRAN Band-AMC Sub-channelization 에서 Taget PER 을 10-2 으로설정하였을때의 SNR 성능을나타낸다. Band-AMC Sub-channelization 은 Diversity Sub-channelization 과다르게 PROFILE-B 에서보다나은성능을보이는것을확인할수있다. 이러한이유와해결방안은 절에서논의한다. 34

49 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 표 3.6. Band-AMC 부채널의 PER Table. Table 3.6. Band-AMC Sub-channelization PER Table Scattered-AMC Sub-channelization 그림 3.15 ~ 그림 3.16 은 WRAN PROFILE-B 와 PROFILE-C 에서 Scattered-AMC Sub-channelization 에대한 PER (Packet Error Rate) 성능 그래프를나타낸것이다. 35

50 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Packet Error Rate (PER) WRAN Scattered-AMC under WRAN PROFILE-B 3Km/h QPSK CTC 1/2 QPSK CTC 2/3 16QAM CTC 1/2 16QAM CTC 2/3 64QAM CTC 1/2 64QAM CTC 2/ SNR (db) 그림 WRAN PROFILE-B 채널환경에서의 Scattered-AMC 부채널. Fig Scattered-AMC Sub-channelization in WRAN PROFILE-B. 그림 3.15 과 3.15 은 WRAN 시스템에서 Scattered-AMC Subchannelization 을 PROFILE-B 채널과 PROFILE-C 채널에서의성능을나타낸다. 각각 QPSK, 16QAM, 64QAM Modulation Order 를사용하여 Code Rate 을달리적용한성능이다. 36

51 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Packet Error Rate (PER) WRAN Scattered-AMC under WRAN PROFILE-C 3Km/h QPSK CTC 1/2 QPSK CTC 2/3 16QAM CTC 1/2 16QAM CTC 2/3 64QAM CTC 1/2 64QAM CTC 2/ SNR (db) 그림 WRAN PROFILE-C 채널환경에서의 Scattered-AMC 부채널. Fig Scattered-AMC Sub-channelization in WRAN PROFILE-C. 표 3.7 은 WRAN Scattered-AMC Sub-channelization 에서 Taget PER 을 10-2 으로설정하였을때의 SNR 성능을나타낸다. 표 3.7 에서확인할수있듯이채널상황이좋치않은 PROFILE-C 에서성능이나쁘게나타남을확인할수있다. 37

52 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 표 3.7. Scattered-AMC 부채널의 PER Table. Table 3.7. Scattered-AMC Sub-channelization PER Table WRAN 환경의 Sub-channelization 문제점분석 본절에서는 WRAN 시스템의각 Sub-channelization 의성능과문제점을분석한다. 각 Sub-channelization 은 WRAN 채널모델인 PROFILE-B 와 PROFILE-C 의 PER 성능으로비교하며, ~ 의결과를정리한성능그래프를이용하여설명한다. 38

53 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 WRAN Sub-channelization under WRAN PROFILE-B 3Km/h 10-1 Packet Error Rate (PER) QPSK CTC 1/2 Scattered-AMC QPSK CTC 1/2 Diversity QPSK CTC 1/2 Band-AMC 16QAM CTC 1/2 Scattered-AMC 16QAM CTC 1/2 Diversity 16QAM CTC 1/2 Band-AMC 64QAM CTC 1/2 Scattered-AMC 64QAM CTC 1/2 Diversity 64QAM CTC 1/2 Band-AMC SNR (db) 그림 PROFILE-B 채널환경에서의 WRAN 시스템의각부채널성능. Fig WRAN Sub-channelization in PROFILE-B. 그림 3.17 은 WRAN PROFILE-B 채널에서각 Sub-channelization 을비교한그림이다. Tager PER 을 10-2 으로설정하였을때 QPSK 1/2 에서 Scattered-AMC 는 Diversity 보다약 0.6dB SNR 이득이있음을확인할수있고, Band-AMC 보다는약 3.7 db 의 SNR 이득이있음을확인할수있다. 또한 16QAM 1/2 에서 Scattered-AMC 는 Diversity 와 Band-AMC 에대해 39

54 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 각각 2.4 db 와 4.2dB 의 SNR 이득이있음을확인할수있고 64QAM 의 경우에는각각 3.4 db 와 4.8 db 의 SNR 이득이있음을확인할수있다. 그림 3.17 에서확인할수있듯이 WRAN PROFILE-B 채널에서는 Scattered-AMC 가가장좋은성능을나타내고, Diversity, Band-AMC 순으로성능이나타난다. 그이유는그림 3.9 에서확인할수있듯이채널의 Amplitude 가 Band-AMC 의한 Band 내에서변화가심하기때문이다. 따라서 Diversity 이득이있는 Diverisy Sub-channelization 과 Diversity 이득과 Scattered-band Selection 이득이있는 Scattered-AMC Sub-channelization 방식이더좋은성능을나타냄을알수있다. 그림 3.18 은 WRAN PROFILE-C 채널에서각 Sub-channelization 을비교한그림이다. Tager PER 을 10-2 으로설정하였을때 QPSK 1/2 에서 Scattered-AMC 는 Diversity 보다약 2.2 db SNR 이득이있음을확인할수있고, Band-AMC 보다는약 1.5 db 의 SNR 이득이있음을확인할수있다. 또한 16QAM 1/2 에서 Scattered-AMC 는 Diversity 와 Band-AMC 에대해각각 3.9 db 와 1.3dB 의 SNR 이득이있음을확인할수있고 64QAM 의경우에는각각 4 db 와 1.8 db 의 SNR 이득이있음을확인할수있다. 그림 3.18 에서확인할수있듯이 WRAN PROFILE-C 채널에서는 Scattered-AMC 가가장좋은성능을나타내고, Band-AMC, Diversity 순으로성능이나타난다. 40

55 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Packet Error Rate (PER) WRAN Sub-channelization under WRAN PROFILE-C 3Km/h QPSK CTC 1/2 Scattered-AMC QPSK CTC 1/2 Band-AMC QPSK CTC 1/2 Diversity 16QAM CTC 1/2 Scattered-AMC 16QAM CTC 1/2 Band-AMC 16QAM CTC 1/2 Diversity 64QAM CTC 1/2 Scattered-AMC 64QAM CTC 1/2 Band-AMC 64QAM CTC 1/2 Diversity SNR (db) 그림 PROFILE-C 채널환경에서의 WRAN 시스템의각부채널성능. Fig WRAN Sub-channelization in PROFILE-C. WRAN PROFILE-C 채널이 WRAN PROFILE-B 채널보다 Delay Profile 이좋치않음에도불구하고 Band-AMC 성능이 Diversity 성능보다좋은이유는그림 3.9 에서확인할수있듯이 WRAN PROFILE-C 채널의 Amplitude 가 WRAN PROFILE-B 채널의 Amplitude 보다 Band-AMC 의한 Band 내에서변화가작기때문이다. 따라서좋은채널상황을가진 41

56 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Sub-carrier 를 Selection 하는 Band-AMC 가 Diversity 이득이있는 Diverisy Sub-channelization 보다좋은성능을나타냄을확인할수있다. 또한 WRAN PROFILE-C 에서도 WRAN PROFILE-B 와마찬가지로 Band-AMC 와 Diversity Sub-channelization 보다 Diversity 이득과 Scattered-band Selection 이득이있는 Scattered-AMC Sub-channelization 방식이더좋은성능을나타냄을알수있다. 표 3.8 은 WRAN PROFILE-B 와 PROFILE-C 에서각각의 Sub-channelization 방식의성능을비교한것을나타낸다. 표 3.8. WRAN 시스템의각부채널별 PER Table. Table 3.8. WRAN Sub-channelization PER Table. 일반적인채널환경의경우 Scattered-AMC 가가장성능이좋고, Band-AMC, Diversity 순으로이어진다. 하지만 WRAN 환경에서의 PROFILE-B 에서는한 Band 크기내에서채널의변화가심하여 42

57 제 3 장 IEEE WRAN 시스템의물리계층전송규격 Scattered-AMC, Diversity, Band-AMC 순으로성능이나타난다. 따라서 Band-AMC Sub-channelization 에대한보완이필요하다. 보완하는 방법으로는 Band-AMC 크기를 PROFILE-B 의채널변화보다작게 한다면이러한문제점이해결될수있을것이라예상된다. 43

58 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 4.1 기존의상향링크정보축소알고리즘 다중사용자를위한 OFDM 시스템에서열악한무선전송환경에서도고품질, 높은신뢰성통신을지속적으로제공하기위해각사용자의채널환경에따른적절한변조방식과코딩율을선택하는 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 기술이사용되며, 이러한시스템을 AOFDM (Adaptive OFDM) 시스템이라한다. AOFDM 시스템을위한기존 AMC 알고리즘을살펴보면, 기지국의패킷스케쥴러가최상의성능으로동작하기위해각단말기의하향링크에대한모든부반송파채널정보를필요로한다. J. Campello 는모든부반송파의채널정보를피드백하고각부반송파에적절한변조방식을선택함으로써최적의성능을갖는알고리즘을제안하였다 [14]. 그러나, 상향링크의한정된제어채널에모든부반송파의채널정보를피드백하는것은불가능하며 44

59 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 이를해결하기위해서적은정보량으로많은채널정보를포함하여 피드백하는방법이제안되었다. T. Keller 와 L. Hanzo 는피드백정보를 줄이기위해, Band-AMC 처럼부채널정보를블록단위로적용하는 방법을제안하였으며, HIPERLAN/2 시스템을위한블록단위의채널정보를이용하는 SBLA (Simple Block-wise Loading Algorithm) 등이해당된다 [15-16]. 그러나 WRAN 시스템의 Scattered-AMC Sub-channelization 의경우 SBLA 방식을사용하더라도 Band-AMC 보다 4 배나많은피드백양이요구된다. 많은피드백정보는보다좋은 AMC 기술을운용할수있지만, 상향링크측면에서시스템의오버헤드로인해 Spectral Effciency 가감소하는역효과를가져온다. 이러한문제점을해결하기위하여본논문에서는 OFDMA 시스템에서 Scatterd-AMC Sub-channelization 의성능을극대화하기위한 CQI Reduction 기법을제안한다. 기존의 AMC 관련상향링크피드백정보를축소하면서기존알고리즘에비해성능면에서향상된방안을제시한다. 즉기존의고정된크기의부반송파그룹에대한채널정보를전송하는방법에서탈피하여제한된피드백정보내에서최대전송량을갖는부반송파그룹의가변크기와변조방식의조합을한정된피드백정보에포함시켜시스템의주파수효율과 Througput 을증가시키도록한다 [17]. 45

60 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 4.2 제안된 FBL (Flexible Block-wise Loading) 알고리즘 일반적으로 OFDM 시스템에서는하향링크의부반송파가 N 개이고, MCS 종류를 M 비트로표현이가능하다면부반송파별로결정된 MCS 를전달하기위해서는총 N M 비트정보를상향링크롤전달하여야한다. 그러나, 많은부반송파수로인한 AMC 관련피드백정보의증가는상향링크의트래픽처리량증가로시스템의성능을저하시키고주파수효율을감소시킨다. 이러한단점을보안하기위해 Band-AMC 는여러서브캐리어의묶음인클러스터별 MCS 를결정한다. 클러스트의크기는포함된부반송파의개수를말하며, MCS 는클러스터에속하는부반송파의평균 SNR 또는 CINR 등에의해결정된다. 따라서 OFDM 과같이광대역시스템에서주파수선택적인채널의경우, 상향링크 AMC 관련피드백정보를감소시키기위해서클러스터의크기를 확장하는경우 MCS 의정밀도의신뢰수준은많이떨어진다. 그리고 WRAN 환경에서 Scattered-AMC 로확장함에있어서기존의 Band-AMC 보다약 4 배이상의피드백정보가필요하게되어 MCS 의정밀도는올라가지만피드백정보를감소시킬수없다. 이러한단점을보안하기위해, Scattered-AMC 의특징을이용한 CQI Reduction 알고리즘을제안한다. 제안된알고리즘은기존의고정된밴드의 CQI 를사용하는것이아니라사용자의채널상황에따라가변적으로밴드의크기를변경시켜서보다유연한채널할당을가능하게한다. 이러한 46

61 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 유연한채널할당을가능하게하는클러스트구조의상향링크정보축소알고리즘은여러차례제안되었지만, 그방법들은단방향으로클러스터를구성하여시스템의성능을극대화시키지못하였고, Fairness 측면에서채널상황이좋은사용자에게많은채널을할당해주는상황이발생되었다. WRAN 환경에서의 Scattered-AMC Sub-channelizaiton 은 1 빈 (12 Data Sub-carrier + 2 Pilot Sub-carrier) 단위로피드백정보를주어야한다. 1 빈단위로피드백을함으로써 BS 은보다효율적인스케쥴링을수행함으로써주파수효율을높일수있다. 또한 Band-AMC 와다르게연속된여러개의빈이아니라주파수측으로분산된여러빈을묶어할당함으로써 Diversity 이득까지얻을수있다. 그러나 Scattered-AMC 는 MCS 의정밀도를올라가지만피드백양이많아지는단점이있다. 본알고리즘의가능하게된이유는 Scattered-AMC 가 Flexible 하게할당할수있다는점이다. 그림 4.1 와그림 4.2 는각각제안된알고리즘절차와클러스터구조및예시를나타낸것이며, 그림 4.3 은상향링크를통해 AMC 관련 피드백정보의포맷을나타낸것이다. 본논문에서는 FFT Size 가 1024 인 M-WiMAX 시스템을가정하고, 클러스터를 4 개로구분하였다. 이는클러스터의개수가 FFT Size 에의해서유동적으로변할수있음을 의미한다. 47

62 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 그림 4.1. 제안된알고리즘수행절차. Fig Proposed Algorithm Flow-chart. 48

63 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 그림 4.2. 제안된알고리즘의클러스터구조및수행예. Fig Cluster Structure of Proposed Algorithm and Example. 그림 4.3. 제안된알고리즘의피드백신호형식. Fig Feedback Format of Proposed Algorithm. 49

64 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 그림 4.1 에서 CL-s 와 CL-k 는각각가장낮은클러스터에서선택된인덱스와 CL-s 를포함하는상위클러스터의인덱스를나타낸다. 그리고 ACL (Adjacent Channel Leve) 은선택된인덱스를중심으로한인접클러스터간의채널유사정도를나타내며, 이를이용하여피드백할 MCS level 과인덱스를결정한다. 그림 4.2 는제안된알고리즘을보다자세히설명하기위해, 부반송파수가 1024 이고 CL-1 의한인덱스의크기가 9 인 OFDM 시스템을예로나타낸것이다. 제안된알고리즘에의해크게 3 가지절차를통하여수행된다. 절차 1 은수신된부반송파를이용하여 CL-1 에서각해당인덱스의평균 CINR 값을계산한다. 절차 2 는계산된 CL-1 의평균 CINR 값중가장큰값 CL-1(5) 를선택한다. 그리고 CL-2, CL-3, CL-4 에서 CL-1(5) 의인덱스를포함하는클러스터를선택한다. 그결과로 CL-2(4, 5), CL-3(3, 4, 5), CL-4(2, 3, 4, 5) 가선택된다. 선택된클러스터에대하여 CL-1 의 CINR 값을이용하여각각의평균 CINR 값을구하게된다. 절차 3 은절차 2 에서계산된평균 CINR 값을이용하여각클러스터에서선택된밴드에대한 Throughput 을계산한다. 계산된 Throughput 결과를비교하여가장큰값을갖는인덱스인 CL-4(5) 를선택하고, MCS level 과 ACL, 그리고인덱스를선택한다. 50

65 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 절차 1~3 의과정을 n 번만큼반복하여그림 4.3 의피드백신호를 이용하여전송한다. 그리고전송하는 MCS level 은선택된 n 개의 MCS level 중에가장낮은 MCS 를선택하여전송한다. 4.3 System-level Simulation System-level Simulation 방법론 Propagation Channel Model 일반적인통신시스템의설계와비용측면은신호의전파특성에매우의존적이다. 전파경로는빌딩, 숲 ( 나무 ) 등에의한 Shadowing 과나무, 빌딩과같은장애물이나지표면등으로부터다수의산란에의한다중경로페이딩으로인하여감쇠된다. 수신된신호의감쇠정도는동작주파수, 수신안테나높이, 위상으로부터의앙각등과개방지역, Rural, 숲이나산, Suburban, Urban 등의수신환경에의존한다. 이러한특성을고려하여본시뮬레이션에서는 ITU-R M 를바탕으로 OFDM 시스템에서전파채널을 Outdoor 환경과 Indoor 환경으로구분한다. Outdoor 환경은 Terrestrial 채널과 Satellite 채널을포함하고, Indoor 환경은 Indoor 채널을포함한다 [18]. 전파효과는 3 가지 51

66 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 타입의모델로나누어진다. 이는평균경로손실, Shadowing 과 Scattering 에의한 Slow Variation, 다중경로에의한 Rapid Variation 으로나타낼수있다. 여기서고려해야할사항은 Rapid Variation 로서, 채널임펄스응답에의해특성화된다. 채널임펄스응답은 Tapped Delay Line Implementation 으로표현되며, Tap Variability 는도플러스펙트럼에따라달라진다. 채널임펄스응답모델은 Tap 의수, 첫번째 Tap 에대한상대적인시간지연, 가장센 Tap 에대한상대적인전력, 각 Tap 에대한도플러스펙트럼등에의해특성화된다 시뮬레이션을위한주요고려사항 시스템 A 의간섭모델 시스템 A 의간섭모델을설정하기위한 CNR 은식 (4-1) 과같다 [19]. ( C N ) OFDM = G J j j= 1 K 1 + γ k = 1 2 ψ k 2 (4-1) 52

67 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 식 4-1 에서, G 는쉐도잉과 Path-loss 만을고려한 Geometry 이고, { γ j } 는보호구간안에존재하는구분가능한 Multi-path Fading Component 이며, 프레임구간에서의평균값으로한다. { ψ k } 보호구간밖에존재하는구분가능한 Multipath Fading Component 이며, 마찬가지로프레임구간에서의평균값으로한다. 단말과기지국간의 거리에따른감쇄성분을나타내는 Path loss 는다음과같은네가지의 모델이존재한다 [18]. 는 Pathloss 모델 1. Extended Hata 모델 (d < 0.04 km) ( H H ) PL = + f + d b m log 10 log[ ] (4-2) 6 (0.04 km < d < 0.1 km) [log d log 0.04] PL = PL(0.04) + [ L(0.1) L(0.04)] (4-3) [log 0.1 log 0.04] 53

68 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 (d > 0.1 km) PL = log f log(max(30, H )) + (4-4) α [ log(max(30, H ))](log d) a( H ) b( H ) b b m b where d : Distance Between Tx and Rx f : Carrier Frequency H H b m = max( h, h ) 1 2 = min( h, h ) 1 2 b( H ) = min(0,20log( H / 30) b α = 1 ( d 20 km) a( H ) = (1.1 log f 0.7) min(10, H ) m b (1.56 log f 0.8) + max(0, 20 log( H /10)) m m 2. Indoor Office Environment Model (ITU-R M.1225) n 2 ( n 1 n 0.46 ) L 37 30log R 18.3 n + + = + + (4-5) 10 where R: Distance Between Tx and Rx (m) n : number of floors in the path 54

69 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 3. Outdoor to Indoor and Pedestrian Environment Model (ITU-R M.1225) L = 40log R + 30 log f + 49 (4-6) where R : Distance Between Tx and Rx (m) f : Carrier Frequency 4. Vehicular Environment Model (ITU-R M.1225) 2 2 λ λ 1 1 L = 10 log10 10 log10 (4-7) 2 4π R 4π r θ 2π + θ d 3 2( hb ) 10 log 10 ( 2.35) hb R λ where h θ = tan, r = ( h ) + x x 1 m 2 2 m h b h m : Height Difference Between the BS Antenna and the Mean Building Rooftop Height : Difference Between the Mean Building Height and the Mobile Antenna Height x : Horizontal Distance Between the Mobile and the Diffracting Edges d : Average Seperation Between Rows of Buildings L = h R h + f ( b) log10 18 log10 b 21log10 80 (4-8) when h = 10.5 m, x = 15 m, r = 80 m m Typical in an Urban and Suburban Environment 55

70 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 Log-normal Shadowing 모델 Log-normal Shadowing 은기지국과단말간의거리에관계없이주변환경에의해발생되는감쇄성분을나타내는것으로, 기지국과단말의위치가동일하더라도주변상황에따라신호가겪는감쇄효과는다를수있음을의미한다. 인접셀간섭을분석하기위해서는둘이상기지국사이의 Propagation Loss 를비교해야하는데, 이를위해서는 특정단말과기지국들사이에존재하는 Propagation Loss 의상관 관계를고려하여야한다. 각셀의단말과해당기지국간 Shadowing 의 Correlation 은 1.0 으로, 각셀의단말과인접기지국간의 Correlation 은 0.5 로한다. Path-loss 와 Shadowing 을포함한단말과각기지국간하향링크의감쇄는식 4-9 와같은방법으로모델링된다 [20]. L = k D R u X / (4-9) 여기서, D 는단말과기지국간의거리 (km), u 는경로감쇄 Exponent, R 은안테나이득, X 는평균은 0 이고표준편차는 σ 인 Gaussian u 확률변수이다. k0d 는선형 Path-loss 값을나타낸다. X 는모든기지국에공통인확률변수 Z1 과각기지국에독립적인확률변수 Z2 의 Weight Sum 으로표현된다. 두확률변수 Z1 과 Z2 는평균이 0 이고표준편차가 σ 인 Gaussian 확률변수이다. 그러므로, X 는식 4-10 과같이표현된다. 56

71 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 X = az + bz a + b =, (4-10) 1 2 여기서, 서로다른셀의섹터간 Shadowing 값은 Correlation 이 0.5 ( 즉, a = b = 0.5 ) 인값을적용한다. 위의 CINR 계산에는다음 2 2 요소가포함된다. Fast fading : 매심볼마다링크레벨채널모델에따라갱신되며, CINR도매심볼마다계산된다. Shadowing : 매단말군발생기간동안일정하지만시뮬레이션시간이 20ms 초과할때마다갱신된다. Path loss : 매단말군발생기간동안불변. Antennal 이득 : 섹터별안테나이득은아래의 horizontal 안테나 pattern 만을고려한다. Antenna Pattern dbd Degrees 그림 Sector Antenna Pattern. Fig Sector Antenna Pattern. 57

72 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 Gain - db Horizontal Angle - Degrees 그림 4.5. 수식을이용하여구한 3 Sector Antenna Pattern. Fig Sector Antenna Pattern using Equation. 그림 4.6. Center Cell Antenna Bearing Orientation diagram. Fig Center Cell Antenna Bearing Orientation diagram. 58

73 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 Log-normal Fading 및 Background Noise Space-correlated log-normal fading 은다음과같이정의된다. Z ( t) = cz ( t 1) + W (4-11) i i where c = exp[- d ln2/d ] corr corr d : Moving Distance d : Decorrelation distance (20m for macrocell) W : Gaussian RV with a variance of (1-c ) σ SF 2 2 Background Noise 는다음과같이설정된다. N ktf F = 23 0 = = (4-12) = -174 (dbm / Hz) + NF (db) = -167 (dbm / Hz) where NF (Noise Figure) = 7dB N0B = = dbm / Carrier (4-13) where B = 10MHz / 1024 = khz 59

74 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 System-level Simulation 환경및파라미터 인접섹터가간섭으로작용하는시스템레벨간섭분석시뮬레이션을위하여, 그림 4.7 과같은 Hexagonal 셀로구성된 2-Tier 다중셀환경을고려한다. 이경우의다중셀환경은중앙의 Victim Cell을포함하여총 19개의셀로각셀은 3개의섹터로구성되어총 57개의섹터로이루어진다. 또한각기지국은 Hexagonal 셀의중심에위치하고, 각기지국간거리는 2R 동일하다고가정하며각 Sector 의 FRF (Frequency Reuse Factor) 는 1이다. 시뮬레이션을수행할시중앙의 Victim Cell 에는단말군을 1000번이상 Uniform 하게발생시킴으로써이동성과유사한효과를발생시키며, 주변 Cell 의 Interferer 단말군은한번만발생시킨다. 그리고 CINR 계산시 Victim Cell 의사용자들은자신의 Sector 로부터는 Multi-path Fading 을겪고, 타 Sector로부터의간섭은 Path Loss, Shadowing, Antenna Pattern 만을고려한다 [21-22]. 또한본모의실험에서는 1 Frame 주기로상향링크를통하여기지국의 Feedback Information Assembler에전달되며, 전달지연은 4 Frame인 20ms을가정하고, Packet Scheduler는현재많이사용되고있는 General Proportional Fair 알고리즘을사용한다 60

75 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 그그 Tier Cell Environment (3 Sectors / 1 Cell). Fig Tier Cell Environment (3 Sectors / 1 Cell). 표 4.1 은시뮬레이션에서적용된기본 OFDM 시스템 Parameter 를 나타낸다. 그리고표 4.2 는 2-Tier 다중셀환경에서의시스템레벨 시뮬레이션을위한시뮬레이션 Parameters 를나타낸다. 표 4.1. 기본 OFDM 시스템변수. Table 4.1. OFDM System Parameters. Item Duplexing Bandwidth (Nominal Channel B.W.) Value TDD 8.75 MHz 61

76 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 Sampling Frequency Sampling Period 10 MHz 100 nsec FTT Size 1024 Used Sub-carrier 864 Data Sub-carrier 768 Pilot Sub-carrier 96 Sub-carrier Spacing Effective Symbol Time CP Time OFDM Symbol Time TDD Frame Time KHz us 12.8 us us 5 ms Symbol / Frame 42 Downlink Symbol 27 Uplink Symbol 15 Sub-band 24 Sub-carrier / Sub-band 36 표 Tier 다중셀환경의시스템레벨간섭분석시뮬레이션 Parameters. Table 4.2. System-level Interference Analysis Simulation Parameters of 2-Tier Multi-cell Environment. 62

77 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 Item Sub Item Parameters OFDM System Freq Band BS Tx Side Carrier Frequency Effective B.W BS Tx power BS Tx Antenna Gain BS Cable Loss 2.3 GHz 8.75 MHz 43.0 dbm 15 dbi 3 db Link Modeling BS Max EIRP BS Rx Antenna Gain 55 dbm 0.0 dbi MS Rx Side Channel Model BS Thermal Noise MS Noise Figure Frame Sync Path Loss Model Shadowing dbm / Hz 7.0 db Perfect ITU Vehicular Model Std. Dev. 10 db Input Parameter Cell Site UE # of Cells 19 Cell Configuration Hexagonal Cell Radius 1 km # of Users 12 Position Uniform Random Pachet Scheduler General Proportional Fair [23-24] 63

78 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 성능비교를위한 System Model 제안된알고리즘의성능비교를위해서표 4.3과같이 4개의시스템을가정하였다. System A는 Scattered-AMC와 Band-AMC의성능차이를보이기위하여 Band-AMC를사용하고, IEEE e Mobile WiMAX와같이 5개밴드의인덱스를피드백하는시스템이다. System B는기존의단일방향클러스터개념을도입하여 CQI 피드백량을줄인시스템이고, System C는본논문에서제안된방법으로 CQI를피드백하는시스템이다. System D는모든단말기가모든밴드에대해 MCS정보를전달하는이상적인시스템이다. 표 4.3. 성능비교를위한 System Model. Table 4.3. System Model for Performance Comparision. Sub-channeli zation CQI Report Uplink Overhead for CQI Report System A Band-AMC Best 5-Band [5 (Band_Index) + 5 (CINR)] * 5 (# of Report Band) = 50 bit/ue System B Scattered -AMC Reference 2(CVL) + 3(MCS) + 5(Index) * 3(bits) = 20 bit/ue 64

79 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 System C Scattered -AMC Proposed 3 (MCS)+ k(index)*9(acl + Index bits) If(k=5) 48 bit/ue System D Scattered -AMC Full-band [6 (Band_Index) + 5 (CINR)] * 96 (# of Report Band) = 1056 bit / UE Simulation Results Sector Throughput (kbps) System A System B System C System D 그림 4.8. PROFILE-B 채널에서각시스템모델간의 Sector Throughput. Fig Sector throughput of each system model in PROFILE-B. 65

80 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 본절에서는제안된알고리즘의성능을 Throughput 및 Fairness 의관점에서비교분석한다. 본절에서는제안된알고리즘의성능을 Throughput 및 Fairness 의관점에서비교분석한다. 그림 4.8 은 PROFILE-B 채널에서각시스템별 Sector Throughput 을나나낸다. 전체밴드에대해서 CQI 를피드백하는 System D 가가장많은 Throughput 을보이는것을확인할수있다. 이는보다정확한채널할당을할수있기때문이다. 그리고 PROFILE-B 의채널상황이 PROFILE-C 채널에비하여좋기때문에 제안된방법인 System C 와 System D 의성능차이가거의없음을알수있다. System B 는단방향의클러스터를사용하기때문에한밴드내에서채널의한부분이 Deep Fading 으로빠질경우 MCS 레벨이낮아지기때문에제안된방법보다좋치않음을확인할수있다. System A 의경우 절에서언급했듯이한밴드의크기가채널상황보다크기때문에 LLS 의성능이상대적으로열화됨을확인할수있었다. 이러한연유로인하여 Sector Throughput 에서도가장성능이낮음을확인할수있다. 제안된알고리즘을적용한 System C 는 System A, B 에비하여 CQI 정보를효율적으로피드백을함으로써주파수효율이좋아지고, Throughput 이향상되었다. 66

81 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 그림 4.9. PROFILE-B 채널에서각시스템모델간의 Fairness. Fig Fairness of each system model in PROFILE-B. 그림 4.9 는 PROFILE-B 채널에서각시스템모델에의한사용자별 데이터전송률이고, 그림우측의표는각시스템의사용자별 Throughput 표준편차를나타내고있다. 표준편차가낮을수록 Fairness 가 높은것이다. 그림 4.9 에서확인할수있듯이제안된알고리즘을 적용한 System C 는 System A 와비교할때데이터전송률은높지만 Fairness 측면에서성능열화가있음을알수있다. 이는 System C 는유동적인할당단위를가지고있기때문에고정적인할당단위를가지는 System A 에비하여, 상대적으로채널상황이좋은사용자가보다많은채널을할당받게되기때문이다. 반면 System A 는고정된밴드의크기로인해모든사용자에게보다공평하게채널을할당하기 때문이다. 또한 System B 는가장적은양의 CQI 전송비트가 필요하다는장점을가지고있지만, 이때문에 CQI 정보의정확성이 67

82 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 떨어지게되고, 따라서 System C 에비하여 Throughput 과 Fairness 측면에서모두낮은성능을보이고있다. 마지막으로 System D 는네개의 System 들중가장작고고정된할당단위를이용한다. 때문에 CQI 정보의정확도가가장높음으로 Throughput 측면에매우높은성능을보인다. 하지만가장작은할당단위로인해제안된 System C 보다는채널상황이좋은사용자에게보다많은채널이할당되기때문에, 제안된 System C 보다 Fairness 측면에서는열화된성능을보인다. 그림 PROFILE-C 채널에서각시스템모델간의 Sector Throughput. Fig Sector throughput of each system model in PROFILE-C. 68

83 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 그림 4.10 은각시스템별 Sector Throughput 을나나낸다. 전체밴드에대해서 CQI 를피드백하는 System D 가가장많은 Throughput 을보이는것을확인할수있다. 이는보다정확한채널할당을할수있기때문이다. 그리고제안된방법을사용하는 System D 는이상적인시스템인 System D 에비하여약 4.3% 의성능열화가있지만, System A 와 System B 에대해서약 11.8%, 5.8% 의성능이향상된것을확인할수있다. 제안된알고리즘을적용한 System C 는 System A, B 에비하여 CQI 정보를효율적으로피드백을함으로써주파수효율이좋아지고, Throughput 이향상되었다. 그림 PROFILE-C 채널에서각시스템모델간의 Fairness. Fig Fairness of each system model in PROFILE-C. 그림 4.11 은각시스템모델에의한사용자별데이터전송률이고, 그림우측의표는각시스템의사용자별 Throughput 표준편차를 69

84 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 나타내고있다. 표준편차가낮을수록 Fairness 가높은것이다. 그림 4.11 에서확인할수있듯이제안된알고리즘을적용한 System C 는 System A 와비교할때데이터전송률은높지만 Fairness 측면에서성능열화가있음을알수있다. 이는 System C 는유동적인할당단위를가지고있기때문에고정적인할당단위를가지는 System A 에비하여, 상대적으로채널상황이좋은사용자가보다많은채널을할당받게되기때문이다. 반면 System A 는고정된밴드의크기로인해모든사용자에게보다공평하게채널을할당하기때문이다. 또한 System B 는가장적은양의 CQI 전송비트가필요하다는장점을가지고있지만, 이때문에 CQI 정보의정확성이떨어지게되고, 따라서 System C 에비하여 Throughput 과 Fairness 측면에서모두낮은성능을보이고있다. 마지막으로 System D 는네개의 System 들중가장작고고정된할당단위를이용한다. 때문에 CQI 정보의정확도가가장높음으로 Throughput 측면에매우높은성능을보인다. 하지만가장작은할당단위로인해제안된 System C 보다는채널상황이좋은사용자에게보다많은채널이할당되기때문에, 제안된 System C 보다 Fairness 측면에서는열화된성능을보인다. 70

85 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 10 0 Outage Probability System A System B System C (Proposed) System D Distance between UE and BS (m) 그림 PROFILE-C 채널에서 Outage Probability. Fig Outage Probability in PROFILE-C. 그림 4.12 는 PROFILE-C 채널에서각시스템모델별 Outage Probability 를나타낸것이다. 본논문에서는데이터전송율이 256kbps 를넘지못할경우 Outage 가발생한것으로판단하였다. 그림 4.12 에서나타나듯이모든정보를피드백하여 CQI 정보의정확성이높은 System D 가가장좋은성능을나타내고, 제안된알고리즘을사용하는 System C 가 2 번째로좋은성능을나타낸다. 제안된 71

86 제 4 장 OFDMA 시스템에서의상향링크정보축소알고리즘 알고리즘은보다유연한채널할당으로인하여사용자의데이터 전송율이높아짐으로써 Outage 가좋아짐을확인할수있다. System B 는 System A 보다는성능이좋아지지만단방향의고정된클러스터를 사용하는구조를사용하기때문에 System C 보다 Outage 가많이 발생하게된다. 72

87 제 5 장결 론 제 5 장 결 론 본논문에서는이동성이없는고정환경에서현재유선으로제공되는 Cable / ADSL 서비스를무선으로제공하기위하여현재상황인식기술을기반으로현재진행중인 IEEE WRAN 의 Functional Requirements 를분석하고, WRAN 시스템에제안된 Sub-channelization 에대하여분석하였다. 또한각 Sub-channelization 의성능을 Link-level Simulation 을통해알아보고, 제안된 Sub-channelization 의문제점을고찰하였다. 그리고 AOFDM (Adaptive OFDM) 시스템에서기존에사용되었던 AMC 기법을분석하고, 이를 WRAN 시스템에적용시킬경우발생되는문제점을제기하였고, 문제점해결하기위한 FBL 알고리즘을제안하였다. 제안된알고리즘은기존의고정된크기의클러스터단위로 CQI 정보를피드백하는것을가변적인크기의클러스터단위로 CQI 정보를피드백시킴으로써 AMC 관련상향링크피드백정보를축소하며, 기존의알고리즘에비해 Throughput, Fairness 과주파수효율측면에서성능을향상시킨다. 또한제안된알고리즘을이용할경우 Uplink 무선자원을효율적으로사용할수있고, 기존의 73

88 제 5 장결 론 시스템과비슷하거나적은 Uplink Overhead 를가지고, Throughput 측면에서 Band-AMC 에비하여약 10% 의성능향상을보이고, 기존의알고리즘과비교하여약 5% 의성능향상이있음을확인하였다. 또한 Fairness 측면에서도기존의알고리즘보다성능이향상됨을확인할수있다. 74

89 참고문헌 [ 참고문헌 ] [1] J. Mitola, Cognitive Radio for flexible mobile multimedia communications, Proc. of IEEE workshop on Mobile Multimedia Comm., Nov. 1999, pp [2] D. Cabric, S.M. Mishra, and R. Broderson, Implementation issues in spectrum sensing for cognitive radios, Proc. of Asilomar Conf. on Sig., Sys. & Comp., [3] FCC, Spectrum policy task force report, ET Docket No , Nov [4] FCC. ET Docket No , Notice of Rule Making and Order, Dec [5] Carl Stevenson, Funcitional requirements for the WRAN standard, IEEE draft. Sep [6] 김정주, 고상준, 장경희, ''WRAN 응용을위한하향링크무선전송방식 : OFDMA 상황인식시스템에서의적응부채널할당및고정빔형성기법,'' 한국통신학회논문지, vol.31, No.3A, pp , [7] IEEE /0002r12, WRAN Reference Model, Sept [8] IEEE P802.16e /D IEEE Standards for local and metropolitan area networks part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems. [9] D. Kivanc, G. Li, and H. Liu, Computationally efficient bandwidth allocation and power control for OFDMA, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 2, pp , November [10] C.Y. Wong, R.S. Cheng, K.B. Letaief and R.D. Murch, Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit and power allocation, IEEE J. Select Areas Commun., vol. 75