The main objective of this dissertation is to analyze several problems in asynchronous transfer mode (ATM) networks and to propose traffic control schemes for solving the problems. Although a general framework for traffic control and congestion control in ATM networks is defined, there are many problems to be solved for each service class and heterogeneous services. One problem is that when the policing function is used together with a cell loss priority control scheme for all service classes, a measurement phasing problem can occur in usage parameter control/network parameter control (UPC/NPC) functions. The measurement phasing problem makes it difficult to define and commit cell loss ratios for guaranteed quality of service (QoS). Another problem is related with the cell delay variation tolerance that should be exactly specified at traffic contract for a UPC/NPC to guarantee QoS, but after passing multiplexers the cell interarrival pattern becomes a random variable. Thus, the multiplexing operation makes the determination of the cell delay variation tolerance difficult. The other problem is in the connection admission control (CAC) function for variable bit rate (VBR) traffic. By the statistical characteristics of VBR traffic, the equivalent bandwidth for a VBR connection is difficult to determine. Finally, when the ATM network is extended to air interface, some method for medium access control (MAC) of the shared channel is necessary. The access control needs to provide a fair and efficient method for non-real-time traffic and to reserve a bandwidth for real-time isochronous traffic for guaranteed QoS in the face of an unreliable channel.
In this dissertation, we first study the cause of measurement phasing problem in the UPC/NPC function. To sove the problem, we propose a new UPC/NPC algorithm. By using the UPC/NPC algorithm, we can define the cell loss ratios for CLP=0 and CLP=0+1 cell streams without the measurement phasing problem under any conditions. We can also guarantee the cell loss ratios while admitting the maximum number of CLP=0 cells. As the CLP=0 traffic is important compared to the CLP=1 traffic, the admittance of the maximum number of CLP=0 cells in a given number of CLP=0+1 cells is a big advantage. We analyze the performance of the proposed UPC/NPC algorithm. Using a discrete time model for the UPC/NPC architecture with a discrete-time semi-Markov process (DSMP) input model, we obtain the cell discarding probabilities of CLP=0 and CLP=0+1 cell streams and show that more CLP=0 cells are accepted compared to what is proposed in ITU-T.
Second, we analyze two causes for the cell delay variation (CDV) in ATM multiplexing: multiplexing sequence and queuing delay. In order to suppress the CDVs, we propose a new structure of ATM multiplexer and a new multiplexing algorithm. By using the structure and algorithm, we eliminate the CDV caused by the queueing delay completely for constant bit rate (CBR) connections. The CDV caused by multiplexing sequence can not be eliminated by its own nature. The best solution is to reduce and limit the CDV. By using the algorithm, we limit the CDV of a CBR connection by the inverse of the peak cell rate (PCR) of the CBR traffic. In this work, the limitation of the CDV is proven. The multiplexer with the proposed algorithm will be especially useful for ATM nodes in a customer premise network, where the number of virtual connections is relatively small.
Third, we study statistical multiplexing of VBR traffic and consider how to obtain an equivalent bandwidth for CAC of a connection. The equivalent bandwidth is obtained based on that the sum of the equivalent bandwidths of admitted connections is less than multiplex capacity while the cell loss probability is within the imposed limit. Therefore, an exact estimation of cell loss probability in ATM multiplexers is essential for the calculation of the equivalent bandwidth and CAC. Hence, we propose a new queueing model, MMDP/MMDP/1/K, for an ATM multiplexer with multiple QoS VBR traffic to estimate cell loss probability. We use the Markov-modulated deterministic process (MMDP) to approximate the actual arrival process and another MMDP for service process. Using queueing analysis, we derive a formula for the cell loss probability of the ATM multiplexer in terms of the limiting probabilities of a Markov chain. The major advantages of this approach are simplicity and accuracy of analysis in comparison to simulation. Also, it is numerically stable.
Finally, we study MAC requirements for the wireless ATM and propose a new MAC scheme named the dynamic slot allocation multiple access (DSAMA) for wireless ATM networks. For a transparent and seamless transport of ATM traffic, the DSAMA supports a variety of service classes, bit rates, and QoS levels associated with ATM. The DSAMA provides a reliable, predictable aspects of medium access similar to those obtained in time division multiple access (TDMA) but extends for the support of multirate CBR traffic, and also provides more effective allocation of available bandwidth to mobile terminals which have messages to send, similarly to those available from packet reservation multiple access (PRMA). By using a centralized control scheme, the DSAMA avoids many of the disadvantages associated with the inefficiencies of LAN-type burst communications and inflexibilities of multirate CBR traffic in TDMA, and the high overhead requirements for communications and the difficulties for QoS guarantee of real-time traffic in PRMA. The DSAMA is a collision-free MAC scheme, and it enables to limit the maximum slot access delay for multirate CBR traffic to the period of the traffic for guaranteed QoS. For best-effort data traffic, the DSAMA ensures no collision in slot access and provides high throughput with collision-free property.
본 논문에서는, ATM 망에서의 트래픽제어에 대한 문제점들을 분석하고 이의 해결을 위해 다음과 같은 트래픽 제어 기법들에 대해 연구하였다.
첫째 ATM 망에서 CLP bit 값에 따라 두개의 우선순위 트래픽 (CLP=0, CLP=0+1)이 존재할때 UPC/NPC 수행시 발생가능한 측정위상변이 문제를 해결하고, 셀손실률을 보장해 줄 수 있는 새로운 UPC/NPC 기능을 제안하고 그 효능을 보였다. ATM 망에서는 ATM 셀내의 CLP 비트를 이용해 ATM 셀 전송에 두개의 우선순위를 둘 수 있다. 이에따라 트래픽 파라미터와 셀손실률에 대해서도 두개의 값을 정의할 수 있는데 하나는 CLP=0 셀 스트림에 대한 값이며 다른 하나는 CLP=0+1 셀 스트림에 대한 값이다. UPC/NPC는 이 두 종류의 셀 스트림에 대해 트래픽 파라미터와 셀지연변이 허용치를 근거로 트래픽입력에 대한 감시 및 제어를 할 수 있다. 이때 UPC/NPC는 입력 트래픽의 적합성 검토를 위해 범용셀률 알고리즘을 이용하며, CLP=0 셀 스트림은 적합성 평가를 위해 CLP=0 적합성 시험과 CLP=0+1 적합성 시험을 만족해야 하는데 이 두 시험이 서로 독립적이지 못하므로 시험의 초기치에 따라 입력 허용 트래픽이 변하는 측정위상변이 문제가 발생한다. 이 측정위상변이 문제는 CLP=0 셀 스트림에 대해 사용자와 망간 또는 망과 망간에 협상된 셀손실률의 보장을 어렵게 만든다. 본 연구에서는 측정위상변이 문제를 해결하고, CLP=0 셀 스트림에 대한 셀손실률을 보장하기 위한 새로운 UPC/NPC 알고리즘을 제안했다. 제안된 알고리즘은 CLP=0 셀 스트림에 대한 허용시험과 CLP=0+1 셀 스트림에 대한 허용시험간에 독립성을 부여함으로써 측정위상변이 문제를 해결하고, 또한 CLP=0 셀의 최대치를 수용하면서 CLP=0 및 CLP=0+1 셀 스트림에 대한 셀손실률을 보장한다. 주기성을 갖는 트래픽에 대해 태깅 선택사양이 사용될 경우 및 사용되지 않을 경우의 각각에 대해 제안된 알고리즘의 우수성을 보였으며, 임의의 트래픽에 대한 제안된 알고리즘의 성능평가를 위해 discrete-time 영역에서 discrete-time semi-Markov 입력 프로세스 모델을 이용해 CLP=0와 CLP=0+1 셀 스트림에 대한 셀폐기율을 구하여 ITU-T에서 제안한 UPC/NPC 알고리즘과 비교하였다. 비교 결과, 제안된 UPC/NPC 알고리즘은 측정위상변이 문제를 발생시키지 않으며, CLP=0 셀의 최대치를 수용하면서 CLP=0 및 CLP=0+1 셀 스트림에 대한 셀손실률을 보장함을 보였다.
둘째 ATM 망에서 다중화기를 지나면서 발생되는 셀지연변이의 원인을 분석하고, 셀지연변이에 특히 민감한 항등비트율 트래픽에 대해 셀지연변이를 제한하는 다중화기 구조 및 다중화 알고리즘을 제안하였다. ATM 망에서 다중화기를 지나면서 발생되는 셀지연변이는 셀의 모임현상을 유발시키며, 따라서 일부 셀이 트래픽 협상시 정의된 최대셀률을 넘게 만들고 이는 결과적으로 사용자와 망간 접속점에서 망내에 존재하는 UPC에 의해 셀이 폐기되는 결과를 초래한다. 이러한 상황을 고려하여 사용자와 망간의 연결을 설정할때는 최대셀률 등 트래픽 파라미터와 함께 가입자망에서의 다중화 요인에 의한 셀모임현상을 고려하여 UPC 기능이 이루어 질수 있도록 셀지연변이 허용치가 같이 명시되야 한다. 그러나 다중화기를 통과한 ATM 망에서의 셀지연변이는 통계적 특성을 갖는 변수이며, 이는 소스 트래픽의 패턴 및 양과 망내의 노드수, 그리고 다중화 방식등에 영향을 받으므로 일반적으로 적용될 수 있는 셀지연변이 허용치를 정의하는 일이 매우 어렵다. 또한 최악의 경우를 고려하여 셀지연변이를 결정할때 망자원 관리 측면에서 매우 효율적이지 못하다. 본 연구에서는 ATM 셀 다중화에 의해 발생되는 셀지연변이의 두가지 원인, 즉 셀 다중화 순서 및 버퍼내에서의 지연을 분석하여 셀지연변이에 특히 민감한 항등비트율 트래픽이 다중화될때 다중화에 따른 셀지연변이를 줄임과 동시에 셀지연변이를 한정시키는 새로운 다중화기 구조 및 다중화 알고리즘을 제안하였다. 이를 이용해 버퍼에 의한 지연 변이를 완전히 없애고 셀 다중화 순서에 의한 지연 변이를 해당 트래픽에 대한 최대셀률의 역수로 제한할 수 있음을 보였다. 이렇게 제한된 셀지연변이를 갖는 다중화기는 UPC/NPC를 위한 셀지연변이 허용치를 효율적으로 결정할 수 있도록 한다.
세째 ATM 망에서 서로 다른 서비스 품질을 요구하는 가변비트율 트래픽이 존재할때 각 서비스 품질에 따라 별도의 큐를 갖는 다중화기의 성능을 분석하였다. ATM 망에서 서비스에 대한 품질을 보장하면서 통계적 다중화에 따른 다중화 이득을 높이기 위해서는 가변비트율 트래픽에 대한 등가대역폭의 정확한 평가가 필요하다. 이 등가대역폭은 ATM 다중화기의 성능에 좌우되며, 셀손실률의 허용한계 내에서 연결수락제어를 통해 수락되는 최대 연결수에 따라 결정된다. 따라서 다중화기에서의 정확한 셀손실률의 계산은 등가대역폭 및 연결수락제어에 있어 필수적이다. 본 연구에서는 지연과 셀손실에 매우 민감한 트래픽과 덜 민감한 트래픽이 다중화될 때 다중화기에서의 셀 손실률을 구하기 위해서 새로운 수학적 모델인 MMDP/MMDP/1/K 시스템을 제안하고 이를 분석하였다. 이 시스템에서는 지연과 셀손실에 민감한 트래픽에 서비스 우선순위를 부여하고 남은 대역으로 우선순위가 낮은 트래픽을 지원하는데, 낮은 우선순위 트래픽 관점에서 입력 및 서비스 프로세스를 각각 MMDP 프로세스로 모델링하여 셀손실률을 구하였다. 본 연구를 통해 제안된 MMDP/MMDP/1/K 시스템 모델은 분석이 용이하고 시뮬레이션과 정확히 일치하며, 시스템이 안정적인 특성을 갖는다.
마지막으로 ATM 망을 무선영역까지 확장하는 무선 ATM 망에서 다양한 속도의 항등비트율 트래픽 서비스와 데이타서비스를 효율적으로 지원하며 항등비트율 트래픽 서비스에 대해 서비스품질을 보장하기 위한 매체접근제어 방식을 제안하였다. 이를 위해 기존의 무선망에서 사용되던 매체접근방식들에 대해 장단점을 비교하고, 무선 ATM 망을 위한 매체접근제어에 대한 요구사항을 분석하였다. ATM 망을 무선 가입자까지 확장한 무선 ATM 망에서는 기존의 휴대전화 서비스와는 달리 광대역의 다양한 속도의 트래픽을 지원해야 하므로 무선채널상에서 프레임내의 슬롯을 동적으로 할당할 수 있어야 하며 실시간 트래픽을 지원하기 위해 충돌없이 슬롯을 제한된 시간내에 할당할 수 있어야 한다. 이와함께 효율을 극대화하기 위해 슬롯 접근에 대한 충돌없이 프레임 내의 모든 슬롯을 사용할 수 있어야 한다. 제안된 매체접근제어 방식은 접근제어국의 중앙통제에 의해 제어되는데 기존의 시분할다중화 접근제어 방식을 확장하여 서비스 특성에 따라 하나의 프레임내에서 한 이동단말 당 한개 이상의 슬롯을 할당할 수 있도록 함으로서 다양한 속도에 대한 지원을 가능하게 하였고, 접근제어국의 중앙통제에 의해 슬롯 접근에 따른 충돌을 없애고 슬롯사용순서를 제어함으로써 항등비트율 트래픽에 대해 슬롯 접근에 따른 지연을 제한할 수 있음을 보였다. 또한 데이타 이동단말로부터 상태정보를 받아 이를 이용함으로써 슬롯 사용에 대한 공정성과 시스템 효율을 높였다.
