Hybrid frequency hopped OFDMA system in spectrally overlaid macro/micro cellular environment

Abstract

In this thesis, we consider the problem of radio resource allocation to avoid co-channel interference in spectrally overlaid hierarchical cellular structure (HCS), which employs OFDMA as a multiple access scheme. We analyze the downlink performance of frequency hopped OFDMA systems with spectrum sharing between a macrocell and a hot spot microcell embedded in the overlaying macrocell. This thesis investigates two conventional frequency hopping schemes, random frequency hopping (RFH) and dynamic frequency hopping (DFH), as resource allocation methods. For the RFH, we derive the average number of subcarrier collisions and average SIR on a flat fading channel. We also study the BER performance of the RFH and the DFH. The performance of the DFH significantly outperforms that of the RFH at low traffic loading environment but the DFH is not effective in high traffic loading environment and computational complexity is high. In order to reduce the complexity of the hop pattern design and to improve the system performance in heavily dense area we propose a hybrid frequency hopping (HFH). In the proposed HFH scheme, based on SIRs from all users in the same cell, a serving base station classifies users into two classes and gives priority to seriously interfered user class. For seriously interfered users, the DFH is performed and then the RFH is employed to the rest. Because the HFH employs the DFH for not all users but only interference sensitive users, the system complexity to calculate SINR level of each subcarrier can be reduced and we can avoid the effect of the co-channel interference efficiently. The rest of users can achieve frequency diversity and interference averaging effect because the RFH is employed to the rest Through the computer simulation, we are confirmed that the proposed HFH scheme outperforms the RFH and it has moderate performance when the interfering cell traffic loading is low and better BER performance than the conventional DFH in heavily dense environment under the frequency selective fading channel though the complexity is reduced. ;본 논문에서는 macrocell 내에 hot-spot microcell 이 속해 있는 계층 셀 환경에서 다중 접속 방식으로 OFDMA를 채택한 경우, 셀간에 동일한 채널을 사용할 경우 발생하는 셀간 간섭의 영향의 완화를 위한 자원 할당 문제에 관하여 고려하였다. 이 때, 부반송파의 할당을 위해 frequency hopping scheme을 채택하였다. 먼저, RFH (random frequency hopping) 와 DFH (dynamic frequency hopping) 의 2가지 기존 기법에 관하여 성능을 분석하였으며, 특히 flat fading환경에서 RFH에 대해 부반송파 충돌횟수의 평균값과 평균 SIR을 유도하였다. 또한 2가지 기존 기법을 주파수 선택적 페이딩 환경에서 BER측면으로 성능을 살펴보았다. DFH는 셀 로딩이 비교적 낮은 경우에는 RFH에 비해 탁월한 성능의 우수함을 보인다. 그러나 부반송파 충돌이 불가피한 셀 로딩이 극심한 경우에는 그 효과가 급히 감소한다. 또한 DFH을 수행하기 위해서는 각 사용자의 모든 부반송파에 대해서 SINR을 측정해야 하므로 계산 복잡도가 매우 크다. 따라서 복잡도를 줄이고, 셀 로딩이 심한 경우에서도 어느 정도의 성능을 얻을 수 있는 기법이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 이러한 필요성에 따라 DFH와 RFH를 접목한 HFH (hybrid frequency hopping)을 제안한다. 제안 기법은, 먼저 각 사용자에 대해 SIR level을 측정하고 이를 미리 정해진 threshold값과 비교해 사용자를 두 부류로 나누고 낮은 SIR level을 갖는 간섭에 민감한 사용자에게는 DFH를 통해 자원을 할당하고 그 후에 상대적으로 높은 SIR을 갖는 나머지 사용자들에 대해서 RFH를 수행하는 방법이다. 일부 사용자에게만 부분적으로 DFH를 수행하고 나머지 사용자들에 대해서는 RFH를 수행하므로 복잡도가 감소하며, 간섭에 민감한 사용자에 대해 집중적으로 DFH를 적용하기 때문에 전체 시스템에서 co-channel interference로 인한 성능저하를 효과적으로 완화시킬 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 제안 기법이 RFH보다 우수한 성능을 나타내며, 셀 로딩이 심한 경우 DFH와 대등하거나 더 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다.