QoS Oriented Protocol Design for Point-to-multipoint Transmission in Wireless Networks : 무선 네트웍에서 일대다 전송을 위한 서비스 품질 기반 프로토콜 설계

국문 초록 (Abstract)

한정된 무선 자원을 보다 효율적으로 이용하고 많은 사용자에게 서비스를 제공하기 위해 최근 일대다 통신이 각광을 받아왔다. 특히 화상 회의, 디지털 생방송 등의 실시간 스트리밍 서비스를 제공하기에 최적의 기술로 인식되고 있다. 일대다 통신에는 크게 두 가지 종류가 있는데, 하나는 브로드캐스트 서비스이고 하나는 멀티캐스트 서비스이다. 브로드캐스트 서비스는 특정 사용자에 한정하지 않고 서비스를 제공하는 반면, 멀티캐스트 서비스는 특정 서비스 그룹 내에 있는 사용자에게만 서비스를 제공한다.
본 논문에서는 일대다 통신 중 멀티캐스트 통신의 효율적인 서비스를 위해 새로운 서비스 품질 기반 프로토콜을 제안한다.
기존의 멀티캐스트 방식은 구현의 용이함 때문에 가장 낮은 변조 방식과 코딩 방식을 사용하여 정보를 전송해 왔다. 이럴 경우에 무선 자원의 낭비가 심해져 성능 저하를 초래할 수 있다.
이런 문제점을 개선하고자 각 사용자가 무선 채널의 상황을 전송자에게 알리는 피드백 기반의 멀티캐스트 기법이 제안되었다. 하지만 이 방법은 효율적인 전송이 가능하지만 피드백 양이 많다는 단점이 있다.
한편, 멀티캐스트 기법은 멀티캐스트 그룹 내에 있는 사용자 중에 채널 상태가 가장 좋지 않은 사용자에게 맞추어 정보를 전송한다. 즉 특정 사용자 보다 채널 상태가 좋은 사용자는 자신의 채널 상황을 전송자에게 피드백 하지 않아도 손실 없이 정보를 받아 볼 수 있다.
본 논문에서는 이 점에 착안하여, 효율적인 멀티캐스트 전송을 위해 각 사용자가 무선 채널의 상황을 피드백 할 때, 피드백 양을 극단적으로 줄이면서도 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 서비스 품질 기반 프로토콜을 제안한다.
첫째로, 현재 널리 사용되고 있는 3GPP LTE 시스템에서 단일 부대역을 이용하여 멀티캐스트 서비스를 할 때, 새로운 피드백 기반의 멀티캐스트 기법을 제안한다. 제안하는 기법을 사용하였을 경우, 피드백 받은 각 사용자의 무선 상황을 사용하여 무선 채널 상황에 맞는 적절한 변조 방식과 코딩 방식을 사용하여 시스템 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 서비스 품질 요건에 따라 피드백 상황과 피드백 하지 않는 상황을 지혜롭게 천이하면서 피드백 양을 줄일 수 있었다.
두 번째로, 3GPP LTE 시스템에서 다중 부대역를 이용하여 멀티캐스트 서비스를 할 때, 새로운 피드백 기반의 멀티캐스트 기법을 제안한다. 그룹 내의 사용자가 모든 부대역의 채널 상황을 피드백 할 필요 없이 부분적으로 피드백 하여도 손실 없이 정보를 받아 볼 수 있기 때문이다. 제안하는 기법을 사용하였을 경우, 시스템 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 피드백 양도 줄일 수 있었다. 또한 다중 부대역 시스템에 최적화된 기법을 제안하였기 때문에 단일 부대역 시스템에서 제안한 프로토콜보다 피드백 양을 더 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
마지막으로, 제안하는 기법은 기존에 존재하는 제어 정보와 전송 채널을 사용하므로, 추가적인 제어 정보가 필요 없는 장점이 있다. 또한 본 논문에서는 3GPP 시스템을 적용하였으나 제안하는 프로토콜은 코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access), 직교 주파수 분할 다중통신(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템 등 어떤 시스템에서도 적용할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, point-to-multipoint transmission is a very promising technology in the limit of radio resources and in a subscriber surge environment. It is also ideal for providing real-time streaming services such as video conferencing and digital broadcast services. There are two types of point-to-multipoint transmission; broadcast services and multicast services. While broadcast services transmit the information to all receivers in the cell, multicast services forward the information to the specific multicasting group.
In this thesis, we have proposed QoS oriented protocols for multicast services.
The traditional transmission method for multicast services is to transmit at the lowest modulation level and coding rate that can be much lower than the allowable rate for all subscribers in the multicasting group. While this transmission scheme has the advantage of being simple to implement, it can result in significant performance degradation, such as low spectral efficiency and large amounts of power consumption.
To solve this problem, wireless multicasting using Channel State Information (CSI) has been studied extensively. However, the overhead of feedback information has a major drawback in achieving good network performance.
Meanwhile, system performance in feedback-based multicast services highly depends on the receiver with the lowest channel condition in the multicasting group. Thus, receivers with good channel quality can successfully receive multicast data without Channel Quality Indicator (CQI) feedback.
In this point of view, we design a QoS oriented protocol for feedback-based multicast services.
The proposed scheme aims at adapting the Modulation and Coding Scheme (MCS) level according to the change of CQI and reducing unnecessary CQI feedback, thereby it achieves high resource efficiency and transmission optimization.
First, we present a novel multicast scheme for feedback-based multicast services in LTE (Long Term Evolution) single-subband system, which is a most widely used for wireless network systems. “Single-subband system” means that only one resource block is used for multicast services. In other words, the other resource blocks can be used for unicast services. We show that the proposed scheme is able to enhance the system throughput by dynamically adapting the MCS level according to the change of channel quality and also reduce feedback overheads by shifting from the feedback state to the non-feedback state according to a channel quality and recent Frame Error Rate (FER) of each receiver.
Next, we present a novel multicast protocol for feedback-based multicast services in LTE multi-subband system. “Multi-subband system” means that multiple resource blocks are used for multicast services. The key idea of proposed scheme is that receiver does not need to feedback its CQI index of all subbands. We show that the proposed scheme is able to enhance the system throughput and also reduce CQI feedback overheads. Moreover, since the proposed scheme is optimal to multi-subband system, additional feedback reduction is achieved than the proposed scheme of single-subband system.
Finally, since we aims to reduce the control signaling overhead, the proposed schemes do not require any additional overhead signal, and can be expanded and employed in any kind of system, such as Code Division Multiple Access (CDMA) systems, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems and so on.