Title: An Efficient Paging Algorithm for Multi-Carrier CDMA System
ArXiv ID: 1109.2297
발행일: 2011-09-13
저자: Sheikh Shanawaz Mostafa, Khondker Jahid Reza, Gazi Maniur Rashid, Muhammad Moinuddin, Md. Ziaul Amin and Abdullah Al Nahid
📝 초록 (Abstract)
:
본 논문은 무선 통신 네트워크에서 모바일 스테이션(MS)을 효과적으로 추적하기 위한 새로운 페이지링(Pageing) 알고리즘을 제안한다. 기존의 다중 캐리어 CDMA 시스템에서는 MS가 한 번에 하나의 캐리어 주파수만 청취할 수 있어, 모든 사용자를 동시에 검색하는 데 한계가 있었다. 본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 동시 검색 알고리즘을 제안하며, 이를 통해 페이지 채널 자원의 효율적인 활용이 가능해진다. 성능 분석을 위해 흡수 마코프 체인과 에랑그 C 공식을 사용하여 시스템의 평균 대기 시간 및 처리 능력을 분석하였다.
💡 논문 핵심 해설 (Deep Analysis)
:
본 논문은 무선 통신 네트워크에서 모바일 스테이션(MS)을 효과적으로 추적하기 위한 새로운 페이지링(Pageing) 알고리즘을 제안한다. 특히, 다중 캐리어 CDMA 시스템에서 MS를 동시에 검색할 수 있는 효율적인 방법을 탐구하고 있다.
기존 문제점
기존의 다중 캐리어 CDMA 시스템에서는 MS가 한 번에 하나의 캐리어 주파수만 청취할 수 있어, 모든 사용자를 동시에 검색하는 데 한계가 있었다. 이로 인해 페이지 채널 자원이 비효율적으로 활용되는 문제가 발생했다.
제안된 알고리즘
본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 동시 검색 알고리즘을 제안한다. 기존의 순차적 페이지링 방식에 비해, 동시에 여러 사용자를 찾는 데 필요한 페이지 채널 수를 줄일 수 있다.
알고리즘 단계
초기화: 모든 MS가 아직 발견되지 않았음을 나타내는 초기 상태 설정.
캐리어 선택 및 페이지 전송: 우선순위 배열을 기반으로 한 캐리어 선택과 페이지 메시지 전송.
페이지 처리: 원하는 사용자를 찾았다면 해당 상태를 업데이트, 그렇지 않으면 다음 캐리어로 이동.
성능 분석
성능 분석을 위해 흡수 마코프 체인과 에랑그 C 공식을 활용한다. 특히, 시스템에 두 개의 캐리어가 있다고 가정하고, 각 캐리어에 7개의 페이지 채널이 있는 경우를 분석하였다.
흡수 마코프 체인: 사용자가 첫 번째 캐리어에서 성공적으로 발견되면 1차 흡수 상태로 이동하고, 그렇지 않으면 두 번째 캐리어로 이동한다. 최종적으로 모든 페이지 요청이 처리되는 2차 흡수 상태로 도달한다.
에랑그 C 공식: 시스템의 평균 대기 시간 및 처리 능력을 분석하기 위해 사용된다.
결과
제안된 알고리즘은 기존 방식보다 더 효율적인 페이지 채널 자원 활용을 가능하게 한다. 특히, 피크 시간에 많은 입력 트래픽이 있는 경우에도 동일한 자원으로 더 나은 성능을 보여준다.
결론
본 논문은 다중 캐리어 CDMA 시스템에서 MS를 효과적으로 추적하기 위한 새로운 페이지링 알고리즘을 제안하고, 이를 통해 페이지 채널 자원의 효율적인 활용이 가능해진다는 것을 보여주었다. 성능 분석 결과는 제안된 알고리즘이 기존 방식보다 더 높은 트래픽 처리 능력을 제공한다는 점을 입증한다.
향후 연구 방향
향후에는 다양한 네트워크 환경에서의 적용 가능성과 추가적인 성능 개선을 위한 연구가 필요할 것이다. 특히, 사용자의 이동 패턴에 따른 동적 페이지링 알고리즘의 개발이 중요하다고 할 수 있다.
본 논문은 무선 통신 네트워크에서 MS 추적의 효율성을 크게 향상시키는 동시에 자원 활용을 최적화하는 데 기여하고 있다.
📄 논문 본문 발췌 (Excerpt)
## 모바일 스테이션(MS) 동시 검색 알고리즘에 대한 연구
무선 통신 네트워크가 MS에게 서비스를 제공하기 위해서는 네트워크 내에서 MS의 위치를 추적할 수 있어야 합니다. 전송 링크 통신 채널을 사용하여 MS에게 페이지 메시지와 시스템 오버헤드 메시지를 전달하는 것을 페이지 채널이라고 합니다.[1]
개인 통신 서비스의 증가하는 수요를 충족시키기 위해 제한된 자원을 효율적으로 활용하는 것이 필수적입니다. 페이지 채널의 효율적인 활용을 위해 다양한 기술에 대한 연구가 진행되어 왔습니다. 그 중 하나가 위치 영역(location area)을 페이지 구역(paging zone)으로 분할하는 개념은 [8] 및 [9]에서 설명하고 있습니다. 다른 연구에서는 MS의 검색 효율을 높이기 위해 마지막 등록 셀에서 MS에게 페이지를 보내고, 필요에 따라 해당 위치 영역 내의 다른 셀로 페이지를 확장하는 방법을 제안했습니다.[4] 이동 추적(mobility tracking) 방식은 움직임 기반 위치 업데이트 정책과 선택적 페이지(selective paging) 방식을 결합하여 [5]에서 제안되었습니다.
CDMA 시스템에서 MS는 특정 캐리어 주파수에 접근합니다.[10] 단일 캐리어 주파수는 1.25MHz 대역폭을 차지하며, 7개의 페이지 채널을 포함합니다. 캐리어의 용량이 최대치에 도달하면 시스템 용량을 증가시키는 것이 바람직합니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 1개 이상의 캐리어를 사용하는 것입니다. 1개 이상 캐리어가 사용되면 시스템은 다중 캐리어 시스템(multi-carrier system)으로 알려져 있습니다.
기존의 다중 캐리어 시스템에서 MS는 특정 시점에 단 하나의 캐리어 주파수만 조준할 수 있습니다. 따라서 MS는 한 번에 하나의 캐리어 주파수 페이지 채널만을 청취하게 됩니다. MS를 페이지하기 위해서는 모든 캐리어 주파수의 페이지 메시지를 전송하여, 현재 MS가 청취하는 페이지 채널에 메시지가 전송되도록 해야 합니다. 이를 위해 각 페이지 채널에 전송될 메시지를 복제해야 합니다.[10] 기존 시스템은 동시에 7명 이상의 사용자를 검색할 수 없습니다. 이는 페이지 채널 자원의 비효율적인 활용으로 이어집니다.
본 논문에서는 다중 캐리어 CDMA 시스템에서 7명 이상의 사용자를 동시에 검색할 수 있는 동시 검색 알고리즘을 제안합니다. 동시 검색 알고리즘은 세포(cell) 내에서 페이지에 사용되어 왔지만, 본 연구의 혁신성은 이를 다중 캐리어 시스템에 적용한 것입니다. 시스템 성능 분석은 흡수 마코프 체인(absorbing Markov chain)과 에랑그 C 공식(Erlang C formula)을 사용하여 수행되었습니다.
본 논문은 순차적으로 여러 사용자를 위치시키는 문제에 초점을 맞추었습니다. 네트워크에 n개의 캐리어가 있고, k명의 이동 사용자를 위치시켜야 한다고 가정합니다. 기존 다중 캐리어 CDMA 시스템에서는 직관적인 순차 페이지 방식을 사용하여 사용자 i를 k명의 사용자 중 하나로 위치시킵니다. 사용자 i가 네트워크 내에 존재할 확률은 P(i, j) = 1/n (1 ≤ c ≤ n)로 정의되며, F(i,c)는 사용자를 찾았는지 나타내는 지표로, F(i,c) ∈ {0, 1}이며, c번째 캐리어에서 사용자 i가 발견되었다면 F(i,c) = 1, 그렇지 않으면 F(i,c) = 0입니다. 본 연구의 문제를 명확히 하기 위해 단순화된 순차 검색 알고리즘을 사용합니다.
단계 0: 초기화: 1 ≤ i ≤ k 및 1 ≤ c ≤ n에 대해 F(i,c) = 0
단계 1: [메시지 전송] 1 ≤ c ≤ n에 대해 모든 캐리어 주파수에 페이지 메시지를 복제하여 전송합니다.
이 기술은 순차 페이지 방식에 비해 k*n개의 페이지 채널을 필요로 하지만, 동시 검색 알고리즘을 통해 평균적으로 페이지 채널 사용량을 줄일 수 있습니다.
효과성을 보여주기 위해 예시를 살펴보겠습니다. 시스템에 2개의 캐리어가 있고, 각 캐리어에 동일한 수의 사용자가 있다고 가정합니다. 이 중 X와 Y라는 두 사용자를 찾아야 합니다. 시스템은 사용자 위치에 대한 사전 지식이 없으므로, 각 사용자는 두 캐리어 중 하나에 무작위로 존재할 가능성이 0.5입니다. 순차 페이지 방식을 사용하면 시스템은 첫 번째 시도에 X를 양쪽 캐리어에 모두 페이지하고, 그 다음에는 Y를 찾기 위해 같은 절차를 반복합니다.
개선된 동시 검색 알고리즘을 통한 사용자 위치 찾기
두 번째 시도에서 양쪽 캐리어에 Y를 전송함으로써, 두 사용자를 찾는 데 총 4페이지(2+2)가 필요합니다.
반면, 시스템이 첫 시도에 사용자 X를 캐리어 1에, 사용자 Y를 캐리어 2에 동시에 페이지한다면, 두 사용자 중 하나라도 첫 시도에서 발견될 확률은 50%입니다. 만약 사용자 Y가 첫 시도에서 발견되지 않는다면, 시스템은 ‘다른’ 캐리어에서 두 번째 시도에 페이지를 보냅니다. 따라서 두 사용자를 찾는 데 총 3페이지(2+1)가 필요하며, 이는 순차적 페이지링에 비해 평균 25%의 절감 효과를 가져옵니다.
