Orthogonal Resource Hopping Based Mobile (Wireless) Communicatiuons 

(직교자원도약 기반 이동통신(무선) 통신 시스템 기술)

Orthogonal Resource Hopping Based Mobile(Wireless) Communications (직교자원도약 기반 이동통신(무선) 통신)


Summary: We proposed a new concept called a ‘virtual dedicated’ resource allocation (VDRA) scheme based on orthogonal resource hopping. Orthogonal resources here mean frequency (sub)carriers, time slots, orthogonal codewords, phase, polarization, antenna space, etc. As a generalized form, we proposed a multi-dimensional orthogonal resource hopping multiplexing/multiple access (MD-ORHM(A)) in which resource blocks are allocated to each user, based on a user-specific pre-allocated hopping pattern before call(session) setup in downlink/uplink, respectively. The effects of this proposed MD-ORHM(A) scheme include 1)achieving a statistical multiplexing gain; 2)accommodating a larger number of users than the number of orthogonal resources; 3) significant reduction or removal of signaling overhead; 4) uniform resource utilization; and 5) interference mitigation.


1  Orthogonal Resource Hopping Based Multiplexing/Multiple Access Schemes: ORHM/ORHMA

 

Motivation of This Work?

 

 

Orthogonal Resources?

 

 

Why Orthogonal Resource Hopping?

 

 

Classification of Conventional Dedicated Resource Allocation Schemes in Our Terminology: (Refer to Fig. 1)


1)  One-Dimensional Orthogonal Resource Division Multiplexing (OD-ORDM) (our terminology)



2)  One-Dimensional Orthogonal Resource Division Multiple Access (OD-ORDMA) (our terminology)



3)  Multi-Dimensional Orthogonal Resource Division Multiplexing (MD-ORDM) 



4)  Multi-Dimensional Orthogonal Resource Division Multiple Access (MD-ORDMA)


Figure 1: Conventional ORDM(Orthogonal Resource Division Multiplexing)


What is our Proposed MD-ORHM (Multi-Dimensional Resource Hopping Multiplexing) Scheme? (Refer to Fig. 2)

Figure 2: Proposed MD-ORHM(Multi-Dimensional Orthogonal Resource Hopping Multiplexing)

 

 

What is our proposed MD-ORHMA(Multi-Dimensional Orthogonal Resource Hopping Multiple Access) Scheme?

 



Classification of Our Proposed Virtual Dedicated Resource Allocation Schemes Based on Orthogonal Resource Hopping (Refer to Fig. 3)

 

1)      One-Dimensional Orthogonal Resource Hopping Multiplexing(OD-ORHM)



2)     One-Dimensional Orthogonal Resource Hopping Multiple Access(OD-ORHMA)



3)      Multi-Dimensional Orthogonal Resource Hopping Multiplexing (MD-ORHM)



4)       Multi-Dimensional Orthogonal Resource Hopping Multiple Access (MD-ORHMA)


Figure 3: Our Newly Proposed ORHM(A) Schemes and Conventional ORDM(A) Schemes

 

 

What is our proposed OCHM (Orthogonal Code Hopping Multiplexing)?

 


Conventional CDMA vs. Our Proposed Orthogonal Code Hopping Multiplexing (OCHM)? (Refer to Figs. 4 and 5)


Figure 4: Conventional CDMA(Code Division Multiple Access)

Figure 5: Proposed OCHM(orthogonal Code Hopping Multiplexig)


As a one-dimensional case, we proposed an orthogonal code hopping multiplexing/multiple access(OCHM/OCHMA) and have extensive theoretical analysis on the proposed OCHM/OCHMA system including capacity analysis, collision mitigation, LLR(log-likelihood ratio) conversion, synergy/perforation control, switched beam in OCHM, channel coding in OCHM, adaptive code rate, comparison among OCHM, quasi-orthogonal codes (QOS), and multi-scrambling code(MSC), capacity improvement in OCHMA, and frame-level OCHM. As further extensions of the proposed scheme, we proposed orthogonal block code hopping multiplexing (ORBHM), orthogonal frequency hopping multiple access (OFHMA), orthogonal frequency and code hopping multiplexing (OFCHM), hybrid FH-OFDMA system in UWB radio networks, orthogonal time hopping multiple access (OTHMA) system in impulse radio based UWB environments.


The proposed MD-ORHM(A) scheme yields a statistical multiplexing gain with small signaling overhead and low latency, and it is efficient for low/medium data and real-time traffic(VoIP, gaming, machine-to-machine(M2M),etc). On the other hand, although the conventional scheduling schemes yield high throughput and multi-user diversity, they require large signaling overhead and, thus, they are inefficient for low/medium rate traffic and real-time traffic. They are very effective for data applications like FTP. Since each scheme has merits and demerits, we proposed a hybrid scheduling scheme in downlink and a hybrid multiple access scheme in uplink for future mobile communication networks. The proposed hybrid scheduling scheme consists of the proposed virtual dedicated resource allocation scheme called MD-ORHM(or its variation) and a scheduling scheme in downlink. The proposed hybrid multiple access scheme combines the proposed MD-ORHMA (or its variation) and a scheduling scheme in uplink. In these downlink/uplink hybrid scheduling schemes, the whole orthogonal resources are divided into two regions and allocated to both the MD-ORHM(A) scheme and the scheduling scheme. The MD-ORHM(A) scheme accommodates real-time and low/medium rate services, while the scheduling scheme accommodates high rate data services. Based on this research, our team presented a contribution on ‘Hybrid Multiple Access for IEEE 802.16m and Its Frame Structure’ in IEEE 802.16m standard meeting in Jan. 2008.



Comparision of Our Virtual Dedicated RA Scheme with the Dedicated and Scheduling RA Schemes:(Refer to Fig. 6)

 

We propose a virtual dedicated resource allocation scheme based on ORHM(A). Figure 6 compares our virtual dedicated RA(random accesss) scheme with the dedicated (2G CDMA) & scheduling RA schemes. 

Figure 6: Comparision of Our Virtual Dedicated RA Scheme with the Dedicated and Scheduling RA Schemes


Proposed Hybrid Resource Allocation Scheme: (Refer to Fig. 7)


We propose the following Hybrid Multiplexing/Multiple Access Schemes combined with our virtual dedicated resource allocation scheme and the scheduling-based resorce allocation scheme.

Figure 7: Our Proposed Hybrid Multiplexing/Multiple Access Scheme

 

 

Major Achievements in our proposed ORHM(A) Schemes?

 


 

Awards for the Related Work

 

International Standard Activity (IEEE 802.16m)

 

 

ORHM-Related Journal Papers

 

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ORHM-Related International Conference Papers

 

 

 

 

ORHM/ORHMA Related Patents

 

3 Key Patents:

 

 


                                                   

 

This patent is concerned with handling a hopping pattern collision problem inherently occurring in MD-ORHM. It includes hopping pattern detection mechanisms, collision resolution through synergy and perforation, and collision mitigation. This method can be widely applied to any ORH based systems. 

 

 

Patent List:

 




제안기술: 다차원직교자원도약다중화/다중액세스시스템 (Multi-dimensional Orthogonal Resource Hopping Multiplexing/Multiple Access Systems: MD-ORHM(A)) 기술

 

본 제안기술은 이동통신에서 사용가능한 직교자원은 (부)반송파(sub-carrier), 타임슬롯, 직교부호(Orthogonal codewords), 편광(polarization), 안테나 공간(space) 등을 포함하는데 호/세션이 설정단계에서 미리 이 직교자원의 조합을 이용한 다차원직교자원의 자원블록을 가입자별 할당된 도약패턴(hopping pattern)을 기반으로 시간상에 가입자에게 자원을 할당하고 이 할당된 자원을 이용하여 보내고자 하는 정보를 전달하는 다중화/다중액세스(multiplexing/multiple access) 기술로 MD-ORHM(A) 이라 지칭한다.

 

KAIST에서 독창적으로 제안하고 있는 MD-ORHM의 주요 특징은 통계적 다중화를 실현화는 하향링크 기술로서 기존 통신에서의 전용자원할당방식도 도약패턴의 하나의 특정한 사례이므로 제안한 자원도약할당은 기존의 통신방식을 같이 수용하는 일종의 ‘Super-set’이다. 도약패턴이 가입자에게 호/세션 설정 시 할당되는데 데이터의 버스트에 관계없이 자원블록이 할당되어 세션 중에 제어신호의 오버헤드가 거의 없거나 최소로 줄일 수 있는 장점이 있으며, 데이터가 있을 경우에 전송되어 일종의 통계적 다중화 이득을 얻을 수 있으며 저지연과 저지연변동의 성능을 가져 저속/중속 데이터 서비스이나 VoIP 같은 실시간 서비스에 적합하다. 또한 기존의 고속 데이터를 처리하는 스캐쥴링 방식과 제안하는 자원도약방식을 하이브리드 모드로 구성한 하이브리드 스캐쥴링 방식을 수용하면 고속과 저속 데이터를 보다 효율적으로 처리 가능하다. 지금까지 논문과 특허기술로 검증한 제안된 가상전용자원할당방식은 1차원 직교자원도약다중화 (OD-ORHM) 방식으로 직교부호도약다중화(OCHM)과 Frame-level OCHM 방식이 있으며, 다차원 직교자원도약다중화(MD-ORHM)방식으로 MD-ORHM, 직교자원블록도약다중화(ORBHM), 직교주파수부호도약다중화(OFCHM) 방식이 제안되고 있다.

 

MD-ORHMA 기술의 주요 특징은 가상전용자원할당방식으로 상향링크 상에서 통계적다중화 이득을 얻는 기술로 도약패턴 상의 충돌이 일어날 수 있지만 충돌 완화/해결방안이 연구되어 있고, 다른 특징은 MD-ORHM기술과 유사하며, 지금까지 논문이나 특허로 검증한 기술로는 1차원 직교자원도약다중액세스(OD-ORHMA) 방식인 직교부호도약다중액세스(OCHMA), 랜덤주파수도약(RFH) OFDMA, 직교시간도약다중액세스(OTHMA) 방식이 있으며 다차원 직교자원도약다중액세스(MD-ORHMA)도 제안되어 있다.

 

제안 시스템과 기존의 2,3,4,5 세대 통신에서의 자원할당방식과의 비교는 다음과 같다.

 

핵심특허 3건 소개:


13개 국제저널 논문 연구를 통하여 아래의 결과가 도출되었다.

 

기술의 독창성은 기존의 대부분의 이동통신 연구는 고속 전송기술을 스케쥴링 방식을 사용하고 있으나, 이러한 방식은 수율(throughput)은 높일 수 있으나 제어신호의 오버헤드 과다, 시스템의 복잡성, 공정성 등의 문제가 있으며, 무선 인터넷 환경에서 많이 수용될 수 있는 중저속의 무선 인터넷 데이터 트래픽을 수용하는데 절대적으로 필요한 granuality (작은 비트 속도 단위로 트래픽을 제어할 수 있는 기술)의 큰 문제를 해결하기 어려우며 데이터 트래픽의 일반적인 주요 특성인 bursty 성질을 잘 고려할 수 없다. 특히 데이터 채널 상의 활성도 (channel activity) 가 일반적으로 0.1-0.2 정도로 아주 낮으므로 이러한 트래픽을 효과적으로 수용하기 위해서는 통계적 다중화 기법이 필요한데 이 스케쥴링 방식에서는 통계적 다중화 방식을 채택하기 어렵다. 이러한 배경을 바탕으로 성교수는 스캐쥴링방식과 자원도약 기반의 가상전용자원할당방식의 하이브리드 모드 운용을 또한 제안하고 있는데, 이 때 고속과 저속 데이터 서비스를 보다 효율적으로 수행할 수 있을 것으로 사료된다. 다차원 직교자원이 주파수, 타임슬롯, 부로, 편광, 안테나 공간 등 다양하게 존재하므로 미래 새로운 통신시스템을 개발할 경우 다양한 형태의 직교자원을 활용한 직교자원블록을 정의하여 새로운 다중화/다중액세스 시스템을 설게 구현해 갈 수 있는 무궁무진한 기술로 발전해 갈 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

산업적 측면에서 OCHM/ORHM 기술 중 가장 간단한 형태의 자원 중의 하나인 직교 부호만을 도약 다중화하는 OCHM 기술을 기존의 IS-95, cdma2000, W-CDMA 시스템 등에 적용하는 경우 기존의 시스템을 크게 변경하지 않고 일부 새로운 기능 블록의 추가로 기존 시스템과 호환 (backward compatible) 가능한 기술이므로 적용상의 용이함을 가지고 있고, 한편 OCHM 기술의 Super-set에 해당하는 ORHM은 직교 부호, 주파수, 시간 및 공간에서의 포괄적인 무선 자원의 도약을 통하여 무선 자원상의 통계적 다중화 효과를 극대화하는 차세대 기술로 기대되며 학문적 측면에서도 직교 부호와 주파수, 시간 및 공간에서 주어진 무선자원의 도약(Hopping)을 통한 통계적 다중화 방식은 기존에 제안된 통신 방식의 Super set으로서의 새로운 학문 분야를 열어가는 것으로 큰 가치를 가지고 있다.

 

MD-ORHM(A) 관련 연구를 통하여 지금까지 7명의 박사학위와 5명의 석사학위 논문연구가 이루어졌으며, 국제저널 논문 13편과 국제학술대회 논문 20편이 발표되었으며, 총 74개의 국내외 특허가 등록되어 그 중 65개의 특허가 국내 연구소와 기업들에 기술 이전되었으며, 하이브리드 다중 액세스 기술을 IEEE 802.16m 표준화회의에 기고하였으며 이 관련 기술이 국내 기업에 이전되었다. 또한 이 관련 기술연구를 통하여 한국과학연구재단에서 개최하는 ‘이 달의 과학기술자상’을 2004년에 수상하였다.