Asynchronous transfer mode (ATM) networks will provide multimedia services with diversified traffic flow characteristics and quality requirements. A prime instrument for controlling congestion in the network is admission control, which limits calls and guarantees a quality of service (QOS) determined by delay and loss probability in the switching nodes. Though there have been many works on ATM multiplexers with connection admission control (CAC), studies of performance analysis or proposals of effective CAC schemes in ATM switch are rare. The main objective of this dissertation is the performance study of ATM switches with CAC.
First, we investigate the performance of an input queueing ATM switch under the condition that CAC is applied to the switch. For the analysis, we assume that calls are homogeneous and their lengths are geometrically distributed. In the switch with CAC, each input and output port of the switch has a finite number of connected calls, respectively. Using this assumption, we model the arrival process as a discrete-time MMBP driven by call states existing in input and output ports. We obtain the average input queue length and cell loss probability through Markov chain analyses applied to the virtual and input queue. The dimension of the chains is proportional to the maximum number of calls being able to accept in each input and output port, but not to the switch size. By numerical analysis, we investigate the effect of CAC, the number of calls, burst length and the buffer size in input queues. The results illustrate that when the CAC is adopted, the effect of burst length is large. Also we propose a call-based distribution scheme which can be applied to the switch architectures having the cell distribution scheme. Applying this scheme to a dual plane switch architecture, we show through analysis and simulation that the performance of the proposed scheme is superior to that of the classical random distribution.
Second, we analyze an output queueing ATM switch which has the bandwidth-oriented-priority (BOP) Markovian service scheme under the condition of heterogeneous traffics and multiple QoS. By designing the output queue service scheme in which heterogeneous traffics are separated by using separate buffers and the service to each buffer is done according to the BOP Markovian polling scheme, the server of an output queue is modeled as an independent geometric server (IGS) for each traffic. This control scheme enables handling heterogeneous traffics, control of QOS and calculation of the equivalent bandwidth of each traffic to be independent. To find the equivalent bandwidth (EB) of a traffic class, we present an analysis which is based on the matrix-geometric analysis method. The output queue is modeled by multiple MMBBP/Geom/1/K queueing systems, each for a traffic class. Among several QOS parameters, we focus on the cell loss probability. The analysis is verified by simulation in average queue length as well as cell loss probability. And we describe a CAC scheme which calculates the EB of connections including newly arriving one by the iterative approach using the EB of the previous connection. Furthermore, we present a burst admission control method using the BOP Markovian service scheme. To enhance the performance of the BAC, we modify the service scheme. The computation of EB of bursts is simplified by modeling the traffic class queue as a $Geom^X$/Geom/1/K queueing system.
Finally, we design a high performance optical ATM switch which employs a multi-wavelength optical interconnection fabric to route packets from inputs to outputs, and electronic controllers equipped with each input module for packet contention resolution, under the constraint that tunable devices have limited tuning range. Using tunable lasers which have distinct tuning ranges to cover the same number of wavelengths, we present a large-capacity switch architecture which can become the output queueing switch yielding the best delay/throughput performance with minimal hardware complexity at the cost of some increased number of wavelengths. By obtaining the upper bound of the cell loss probability, we show that the switch has low packet loss probability with a few set of wavelengths. In the discussion on the tuning range of tunable lasers, we also show that the number of wavelength sets can be 8 which can achieve the cell loss probability below $10^{-6}$ for the module size of 128.
광대역 종합 정보 통신망은 ATM 기술을 통해 다양한 서비스 품질(QOS)과 트래픽 특성을 갖는 멀티미디어 서비스를 제공할 것이다. 이 망에서의 체증제어를 위한 최우선의 방법이 수락 제어이다. 이는 교환기 내에서 지연 시간과 셀 손실 확률에 의해 결정되는 서비스 품질을 보장하기 위해 호의 수를 제한하는 것이다. 본 논문의 목적은 CAC를 적용한 ATM 교환기의 성능 연구이다.
먼저, CAC를 적용한 입력 대기형 ATM 교환기의 성능을 분석하였다. CAC를 갖는 ATM 교환기에서는 각 입력과 출력에 제한된 수의 호들이 각각 연결된다. 따라서, 도착프로세스를 입력과 출력에 연결된 호들의 상태에 의해 지배되는 이산시간 Markov modulated Bernoulli process(MMBP)로 가정할 수 있다. 가상 버퍼와 입력 버퍼에 Markov chain 해석을 적용하여 평균 입력 대기 셀 수와 셀 손실 확률을 구하였다. 이 Markov chain의 크기는 교환기의 입출력단의 수가 아닌 각 입출력에서 받을 수 있는 최대 호수에 비례한다. 수치적 해석에 의해 CAC의 영향과 호 수, 버스트 길이, 버퍼 크기의 영향을 조사한다. 이 결과는 CAC가 적용되면 버스트 길이의 영향이 큼을 보여준다. 그리고 셀 배분 방식을 갖는 교환기 구조에 적용할 수있는 호 기본 배분 방식을 제안하였다. 이 방식을 이중 plane 교환기 구조에 적용하여 제안된 방식이 기존의 random 배분 방식보다 나음을 해석과 모의 실험을 통해 보였다.
다음으로, 여러가지 QOS를 갖는 이질 트래픽들을 서비스하기 위해 bandwidth-oriented-priority (BOP) Markov 서비스 방식을 갖는 출력 대기형 ATM 교환기의 성능을 분석하였다. 이질 트래픽들을 분리된 버퍼들에 저장하고 각 버퍼에 대한 서비스를 BOP Markovian polling 방식으로 하면 출력단의 서버는 각 트래픽 클래스에 대해 독립적인 geometric 서버로 모델링할 수 있다. 이 제어 방식으로 이질 트래픽 처리와 QOS 조절, 각 트래픽의 등가 대역폭 (EB)의 계산 등을 독립적으로 할 수 있다. EB를 얻기 위하여 matrix-geometric 해석 방법을 사용하여 셀 손실 확률을 구하였다. 그리고 새로 도착한 호의 EB를 기존 호들의 EB를 사용하여 반복적으로 계산할 수 있는 CAC 방법을 설명하였다. 또한, BOP Markovian 서비스 방식을 사용한 버스트 수락 제어 (BAC)를 제안하였다. BAC의 성능을 향상시키기 위하여 서비스 방식을 변경하였다. 버스트의 EB의 계산은 트래픽 클래스 버퍼를 $Geom^X$/Geom/1/K 대기 모델로 모델링하여 좀 더 간단해진다.
마지막으로, 제한된 가변 파장 범위를 갖는 가변 파장 레이저를 사용한 대용량 광 ATM 교환기를 설계하였다. 이 교환기는 여러개의 성형 광 결합기를 사용하는 3단 구조를 가지며 가장 좋은 성능을 낼 수 있는 출력 대기 특성과 분산 제어 기능을 가진다. 기술적으로는 파장 분할 다중화 기법을 사용하여 상호 연결된 광섬유의 수를 줄이고, 또한 이 다중화 기법의 제한요소인 가변 파장 레이저의 가변 파장 범위를 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다. 셀 손실 확률의 상한값을 구하여 이 교환기가 적은 수의 파장 집합으로 낮은 셀 손실 확률을 가짐을 보였다. 또한, 이 교환기에서는 모듈 크기 128에 대해 $10^{-6}$보다 낮은 셀 손실 확률을 얻기위한 8개의 파장 집합이 실제적으로 가능하다.
