In this dissertation, we study connection admission control, resource allocation, and virtual path network concept in asynchronous transfer mode (ATM) networks with heterogeneous traffics and different quality-of-services. We study extensively these topics in node and network levels.
First, we propose bandwidth allocation schemes for a system having distributed queues such as a local area network. To do it, we analyze the Markovian polling system with single buffers, asymmetric arrival rates, services times, and switchover times. A virtual buffer model is introduced to derive the relationship of the joint generating function for the queue length of each station at a polling instant. The Laplace-Stieltjes transforms of the cycle time and the intervisit time of each queue are obtained from the marginal generating function. We analyze the cyclic, load-oriented-priority, and symmetric random polling schemes which are classified by adjusting the transition probabilities, and compare the merits and demerits of each scheme for the performance measures. In particular, we prove that the mean queue lengths at the polling instants are the same for all stations in case of the load-oriented-priority polling scheme for the buffer relaxation system in which a new message is stored as soon as the transmission of the message currently in the buffer is initiated.
Second, we consider connection admission control and bandwidth allocation in an ATM multiplexer with heterogeneous traffics. We propose a dynamic control scheme for an ATM multiplexer that multiplexes heterogeneous traffics with multiple quality-of-services, introduce a simple and dynamic connection admission control for the multiplexer, and analyze its performance. Heterogeneous traffics are separated by using separate buffers. The scheduler serves each traffic class according to the bandwidth-oriented-priority(BOP)Markovian polling scheme. This system is simple to implement, easy to analyze, and efficient to utilize the link capacity. When the BOP Markovian polling scheme is used in the ATM multiplexer, we show that each traffic class(i.e.,each virtual path)has an independent exponential server(IES)which makes analysis relatively simple. We consider batch arrival and connectionless data, voice, and video traffics which are modeled by the renewal or Markov modulated Poisson process. A closed-form solution for performances is obtained for data traffic class in the analysis for the real time connection admission control. In particular, when a dynamic bandwidth allocation method is applied to the connectionless data traffic with the on-the-fly scheme, we show that one gets performance results considerably different from those obtained by the fixed allocation method.
Third, we consider a resource allocation method network-widely in an ATM network. The ITU-T and ATM Forum define the delay and the cell loss ratio between end systems as the quality-of-service(QoS)parameters. There fore, it is important to analyze end-to-end performances to allocate network resources. By proposing a new virtual path(VP) network concept, we analyze the end-to-end performance and provide a resource allocation method that satisfies QoS requirements between and systems for the connectionless data traffic with the on-the-fly scheme. In the system model, each output link in the switch or the multiplexer is modeled as the MMPP/M/1 queue of which service rate is tuned by the arrival rate. In this case, the delay distribution is obtained in closed form, and the departure process has the same distribution as the arrival process. Also, we can directly apply the conventional routing algorithm and capacity assignment method to the proposed VP network model because the model is closely analogous to the M/M/1 network model. From the capacity assignment of each link, we suggest a real time connection admission control being performed at the call and burst levels. We show by numerical examples the relationship between the cell loss ratio and peak-to-peak cell delay variation and the probability density function of delay between end systems. For network resource allocation, we also show the required buffers size for the load in a VP link and the burst blocking ratio for the given VP link capacity.
Fourth, we propose a new method which obtains equivalent bandwidth and provides an efficient connection admission control without modeling arrival processes. The traffic modeling is a key element in analyzing and simulating communication networks. Most of the previously studied approaches to the connection admission control(CAC)are based on an assumed arrival process model. However, there are some limits to apply the assumed model to the real environment. Hence, we study a CAC method without assuming arrival processes in an ATM multiplexer when homogeneous traffics are multiplexed. To obtain the equivalent bandwidth(EB)without modeling arrival processes, the concept of equivalent bandwidth convergence(EBC)is proposed and implemented by using the upper bound of the first derivative of cell loss rate(CLR)for the load. With the EBC concept, one can avoid modeling of the arrival process and implement the CAC simply and effectively. We show by numerical examples the convergence process of the average CLR and the EB for voice and video traffics, and the robustness of the EBC concept.
Finally, we analyze a GI/G/1 queue with the first-come-first-service scheme. We first obtain an integral equation for the system time which is defined by the interval between arrival and departure. The system is usually analyzed by applying the M/G/1 or the GI/M/1 queue to the integral equation. But since the integral equation is difficult to solve, here we get a Markov chain for the GI/G/1 queue by using the system time concept. We first have some useful formulas to obtain elements of the transition-probability matrices for several queueing models. Then, we obtain queue length and system time distributions by solving the Markov chain, and provide the mean-value formulas of comparing to the results of simulation and those obtained by the conventional method.
본 논문에서는, 서로 다른 서비스품질을 요구하는 이종의 트래픽을 갖는 ATM망에서 연결 수락제어, 망 자원 할당, 트래픽 모델링, 그린고 가상 경로 개념을 연구하였다. 이러한 주제들을 노드 및 망 차원에서 광범위하게 다루었다.
먼저, 근거리 통신망과 같이 분산된 큐를 가진 시스템에서 대역폭을 할당하는 방식을 제안하였다. 그것을 위하여, 각 큐는 단일 버퍼를 갖고, 도착율, 서비스 시간, 그리고 서비스 전환시간 분포 등이 서로 다른 비 대칭형 Markovian플잉 시스템을 분석하였다. 플링 순간의 각 큐의 큐 길이에 대한 결합 생성 함수의 관계식을 유도하기 위하여 가상 버퍼 개념을 도입하였다. 주변 생성 함수로부터 각큐의 방문주기 시간 및 방문 간격 시간의 라플라스 변환식이 얻어졌다. 플링 천이 확률을 조정함으로써 분류되는 순차적 플링, 부하 지향적 우선 순위를 갖는 플링, 그리고 완전 랜덤 플링 방식을 분석하고, 여러 가지 성능 척도에 대하여 각 방식의 장단점을 비교하였다. 특히, 현재 버퍼에서 서비스가 시작된 경우에 새로 도착하는 메시지 중 첫 번째 것은 수용해주는 버퍼 이완 시스템에 부하 지향적 우선순위를 갖는 플링 방식을 적용할 때, 각 큐의 도착율이 서로 다르다 할지라도 플링하는 순간 모든 큐의 길이가 같아짐을 증명하였다.
둘째, ATM다중화기에서 연결 수락 제어와 대역폭 할당 방안을 고려하였다. 다양한 서비스 품질을 가진 이종의 트래픽이 유입되는 ATM 다중화기에서, 동적인 제어 방식을 제안하였고, 단순한 연결 수락 제어 방식을 소개하였으며, 다중화기의 성능을 분석하였다. 이 때 이종의 트래픽은 각기 서로 다른 버퍼를 이용하여 분리시켰다. 그리고 스케쥴러(서어버)는 대역폭 지향적 우선 순위를 갖는 Markovian플링 방식으로 각 트래픽을 서비스하도록 하였다. 이 시스템은 구현이 단순하면서도, 분석이 용이하며, 링크 용량을 활용하는데 있어서 효율적임을 알 수 있었다. 대역폭 지향적 우선 순위를 갖는 Markovian플링 방식을 ATM다중화기에 적용하면 각 트래픽은 유형별로 독립적인 지수분포를 갖는 서어버를 가짐을 증명할 수 있는데, 이것이 분석을 상대적으로 용이하게 하였다. 트래픽 유형으로 일괄 도착 데이터, 비연결형 데이터, 음성 및 영상 트래픽을 고려하며, 이것들은 각각 갱신프로세스 혹은 Markov 변조된 Poisson과정으로 모델링 된다. 데이터 트래픽 유형에 대해서는 분석에 있어서 실시간 연결 수락 제어를 위하여 닫힌 형태의 해가 얻어졌다. 특히, on-the-fly방식을 갖는 비연결형 데이터 트래픽에 동적 대역 할당 방식이 적용될 때, 고정 대역 할당 방식에서 볼 수 없는 특이한 결과가 얻어짐을 보였다.
셋째, ATM망에서 망 전체적인 자원 할당 문제를 고려하였다. ITU-T권고안과 ATM Forum에서는 QoS파라메터로서 단말과 단말 사이에서의 지연 시간과 셀의 분실율을 정의하고 있다. 그러므로 망 자원 할당을 위해서 단대단 성능 분석이 중요하다. 이를 위하여, 새로운 가상 경로 망 개념을 제안하였고, on-the-fly방식을 갖는 비연결형 데이터 특래픽에 대하여 단말간의 성능 분석과 서비스 품질을 만족시키는 자원 할당 방법을 제시하였다. 시스템 모델에 있어서, 스위치나 다중화기의 각 출력 링크는 서비스율이 도착율에 동조되는 MMPP/M/1큐로 모델링 된다. 이런 경우, 지연 분로가 닫힌 형태의 해로 얻어지고, 출발 과정은 도착 과정과 동일한 분포를 가진다. 또한, 제안된 가상 경로 망 모델이 M/M/1망 모델과 매우 유사하기 때문에 기종의 라우팅 알고리즘과 링크 용량 할당 방법을 직접 적용할 수 있다. 링크에 할당된 용량으로부터 호 및 버스트 레벨에서 실시간 연결 수락 제어 방식을 제안하였다. 수치 결과를 통해 단말 간의 셀 분실율과 peak-to-peak셀 지연 변이와의 관계, 그리고 지연에 관한 확률 밀도 함수를 보였다. 또한, 망 자원 할당을 위하여 각 가상 경로 링크에 주어진 부하에 대해 필요한 버퍼 길이, 주어진 가상 경로 용량에 대한 버스트 봉쇄율을 보였다.
넷째, 도착프로세스 모델없이 동가 대역폭을 구하고 효율적인 연결 수락 제어를 수행하는 새로운 방법을 제안하였다. 트래픽을 모델링하는 것은 통신망을 분석하고 모의 실험을 하는데 있어서 중요한 요소이다. 연결 수락 제어에 대한 기존의 대부분의 접근 방법들은 가정된 틀래픽 모델에 근거를 둔다. 그러나 가정된 트래픽 모델을 실제 환경에 적용하는 데에는 여러 가지 한계점이 있다. 그래서 동종의 트래픽들이 다중화될 때 도착 프로세스를 모델링하지 않고 연결 수락 제어를 하는 방법을 연구하였다. 도착 프로세스모델없이 동가 대역폭을 얻기 위하여 동가 대역폭 수렴 방식을 제안하였는데, 이것은 부하에 대한 셀 분실율의 일차 도함수의 상한 값에 관한 정리를 얻음으로써 구현된다. 이 동가 대역폭 수렴 개념을 통하여 도착 포로세스의 모델 과정이 없이 연결 수락 제어를 단순하면서도 효율적으로 수행할 수 있다. 수치 결과에서는, 음성과 영상 트래픽의 셀 분실율과 동가 대역폭이 수렴하는 과정과 등가 대역폭 수렴 방식의 강인성을 보였다.
마직막으로, 선입선출의 GI/G/1큐를 분석하였다. 먼저 시스템 시간의 적분 방정식을 얻었고, 이 적분 방정식을 이용하면 M/G/1과 GI/M/1큐를 분석할 수 있으나, 일반적인 경우에 적분 방정식의 해를 얻기가 매우 어렵기 때문에 시스템 시간의 개념을 이용하여 큐 길이에 대한 Markov연쇄를 얻었다. 여러 가지 큐잉 모델에 대한 Markov 연쇄의 천이 확률 행렬 요소를 구하는 유용한 공식들을 도출하였다. Markov연쇄의 해를 구함으로서 큐 길이와 시스템 시간의 분포를 구하였고, 큐길이와 시스템 대한 평균 값 공식을 얻었다. 모의 실험 및 기존의 분석 방법 비교하여 분석이 정확한 것임을 보여 주었다. 여기서 얻은 결과를 이용하면 ATM망에서 단말간의 성능 분석을 좀더 정확하게 할 수 있는 방법을 개발할 수 있을 것으로 본다.
