Recently, the number of subscribers to wireless communication systems increases dramatically and various traffic services, such as voice and Internet data etc, are required by mobile users. Therefore, the future wireless communication should support integrated traffics and utilize the limited channel resource efficiently. For these requirements, the design of an appropriate media access control (MAC) protocol plays a critical role among research issues for the future wireless communication systems. In this dissertation, we focus on MAC protocols which can support integrated voice/data traffics efficiently for both time division multiple access (TDMA) system and code division multiple access (CDMA) system.
First, we propose dynamic TDMA with priority-based request packet transmission scheme (D-TDMA/PRPTS) which applies priority-based request packet transmission scheme (PRPTS) as a new request packet transmission scheme instead of conventional slotted ALOHA (S-ALOHA). PRPTS gives priority to voice request packets and transmits the voice request packets preferentially. Due to this feature, D-TDMA/PRPTS can enhance the system capacity of voice users of conventional D-TDMA with speech activity detectors (SADs). We evaluate the performance of D-TDMA/PRPTS using both analysis and simulation. We formulate an appropriate Markov model and present analytical results for voice packet dropping probability and channel utilization for voice traffic. The simulations are also used to verify the analysis and to further investigate voice-data integration performances.
Second, we move our concentration on CDMA which is considered as an attractive MAC protocol for future wireless communication systems. We propose enhanced reservation code multiple access (E-RCMA) which enhanced the voice packet dropping probability performance of reservation code multiple access (RCMA). RCMA is recognized as a promising MAC protocol based on slotted direct-sequence CDMA (DS-CDMA) for both local wireless communications and microcell mobile communications. E-RCMA enhances the voice packet dropping probability by giving priority to voice request packets during the reservation process. The priority mechanism is achieved by allowing voice terminals to transmit the voice request packets with higher transmission power than the data packets. Although two or more packets are transmitted simultaneously with the same code in a slot, a packet can be decoded successfully in the receiver of the base station due to capture effect if the received power of the packet is higher sufficiently than other packets arrived simultaneously. We evaluated voice packet dropping probability and average data packet transmission delay by equilibrium point analysis (EPA) analysis and simulation.
Finally, we consider multi-rate integrated traffics with the slotted DS-CDMA system. We propose dynamic code reservation multiple access (DC- RMA) which supports the multi-rate integrated traffics efficiently. DCRMA is evolved from packet code reservation multiple access (PCRMA) and extends the minislot technique of minislot signaling access (MSA) to support multi-rate integrated traffics. A terminal requests multiple wireless channel resources by transmitting a request packet with a {\it minicode} to the base station, which correspond to a minislot with TDMA-based systems. In transmitting request packets, DCRMA considers quality-of-service(QoS) requirements of traffics. In addition, although DCRMA supports multi-rate connection-oriented (CO) traffic and multi-rate connectionless (CL) traffic similarly with PCRMA, the average message transmission delay for CL traffic is bounded to a frame duration due to frame-based interaction with the base station. To enhance the performance, we develop simultaneous transmission scheme (STS). We analyze packet dropping probability for multi-rate CO traffic using an embedded Markov chain model. Simulations are also performed to further investigate the integration of multi-rate CO and CL traffics.
최근 들어, 무선 통신 시스템을 이용하는 사용자가 급증하고 있고, 사용자들은 음성이나 인터넷 데이터와 같은 다양한 트래픽의 서비스를 요구하고 있다. 그러므로, 미래 무선 통신 시스템은 통합된 트래픽들을 지원해 주어야 하며, 한정된 무선 채널 자원을 효율적으로 사용해야 한다. 이러한 요구사항을 위해, 매체 접근 제어 (media access control) 프로토콜의 적절한 설계는 미래의 무선 통신 시스템을 위한 연구 분야들 중에서 핵심적인 역할을 한다. 본 논문에서는, 시분할 다중 접근 (TDMA) 시스템과 코드 분할 다중 접근 (CDMA) 시스템 모두를 대상으로 통합된 음성과 데이터를 효과적으로 지원하는 매체 접근 제어 프로토콜에 초점을 맞춘다.
첫번째로, 기존의 슬롯 기반의 ALOHA (slotted ALOHA)를 대신하는 새로운 요구 패킷 전송 방식으로서 우선 순위 기반의 요구 패킷 전송 방식 (Priority-based Request Packet Transmission Scheme)을 채용한 D-TDMA/PRPTS (Dynamic TDMA with Priority-based Request Packet Transmission Scheme)을 제안한다. 우선 순위 기반의 요구 패킷 전송 방식은 음성 요구 패킷 (voice request packet)에 우선 순위를 부여하고, 음성 요구 패킷을 우선적으로 전송한다. 이러한 특성 때문에, D-TDMA/PRPTS는 음성 활동 구분자 (speech activity detector)를 적용하여 기존의 D-TDMA (Dynamic TDMA)의 음성 사용자 용량을 개선할 수 있다. D-TDMA/PRPTS의 성능을 보여주기 위해 분석 (analysis)과 시뮬레이션 (simulation)을 사용한다. 분석은 마코프 (Markov) 모델을 이용하고, 음성 패킷 손실 확률 (voice packet dropping probability)과 음성에 대한 채널 활용률 (channel utilization)에 대해 분석 결과를 제시한다. 시뮬레이션은 분석 결과를 검증하고 통합된 음성과 데이터의 성능을 보다 심도 있게 살펴보기 위해 사용된다.
두번째로, 미래의 무선 통신 시스템을 위한 매체 접근 제어 프로토콜의 후보로 고려되고 있는 코드 분할 다중 접근 방식 (CDMA)을 고려한다. 기존의 RCMA (Reservation Code Multiple Access)의 음성 패킷 손실 확률을 개선한 E-RCMA (Enhanced Reservation Code Multiple Access)을 제안한다. RCMA는 지역 무선 통신 (local wireless communication) 환경과 소규모 셀 무선 통신 (microcell mobile communication) 환경에 적합하고, 슬롯 기반의 직접 확산 코드 분할 다중 접근 (DS-CDMA) 프로토콜을 기반으로 하는 유망한 매체 접근 제어 프로토콜로 알려져 있다. E-RCMA는 예약 과정에서 음성 요구 패킷에 우선 순위를 부여 함으로써 음성 패킷 손실 확률을 개선한다. 음성 요구 패킷에 우선 순위를 부여하는 방법은 음성 터미널로 하여금 음성 요구 패킷을 데이터 패킷에 비해 높은 전송 전력 (transmission power)으로 전송하도록 함으로써 이루어 진다. 비록 둘 혹은 그 이상의 패킷들이 한 슬롯에 똑같은 코드를 이용해서 동시에 전송이 이루어 지더라도, 한 패킷의 수신 전력이 다른 패킷들의 수신 전력보다 충분히 크다면, 그 패킷은 포획 효과 (capture effect)에 의해 기지국 (base station)에서 정상적으로 수신될 수 있다. 음성 패킷 손실 확률과 평균 데이터 패킷 전송 지연 (average data packet transmission delay) 성능을 평형 상태 분석 (equilibrium point analysis) 방법과 시뮬레이션을 이용해서 분석한다.
마지막으로, 슬롯 기반의 DS-CDMA 시스템 환경에서 다중 비율 (multi-rate)의 통합 트래픽들을 고려한다. 다중 비율의 통합 트패픽들을 효과적으로 지원할 수 있는 DCRMA (Dynamic Code Reservation Multiple Access) 프로토콜을 제안한다. DCRMA는 기존의 PCRMA (Packet Code Reservation Multiple Access) 프로토콜을 기반으로 하고 MSA (Minislot Signaling Access) 프로토콜의 작은 슬롯 (minislot) 기술을 다중 비율의 통합 트래픽 환경으로 확장한다. 터미널들은 기존의 TDMA에서의 작은 슬롯에 해당하는 작은 코드 (minicode)를 이용해서 여러 개의 채널 자원을 하나의 요구 패킷을 이용해서 요구한다. DCRMA는 요구 패킷들을 전송하는 데에 있어서 트래픽들의 서비스 품질 (quality of service)을 고려한다. 비록, DCRMA가 다중 비율의 연결 기반의 (connection-oriented) 트래픽과 다중 비율의 비연결 기반의 (connectionless) 트래픽을 기존의 PCRMA처럼 지원하지만, 비연결 기반의 트패픽에 있어서는 기지국과 프레임 (frame)을 기반으로 동작하기 때문에 평균 메세지 전송 지연 (average message transmission delay)이 하나의 프레임 시간 (frame duration)에 한정된다. 이러한 평균 메세지 전송 지연 성능을 개선하기 위해 동시 전송 방식 (simultaneous transmission scheme)을 제안한다. 다중 비율의 연결 기반 트래픽에 대해서 패킷 손실 확률을 마코프 모델을 이용해서 분석하고, 시뮬레이션을 이용해서 다중 비율의 통합된 연결 기반 트래픽과 비연결 기반 트래픽의 성능을 보다 심도 있게 살펴본다.
