Since the first generation mobile communication systems have been developed in 1970`s and 1980`s to provide voice based communication service, mobile communication systems have been widespread and have firm ground more and more in telecommunication industry. As the needs for advanced service grow, the second generation mobile communication systems have been introduced in 1980`s and 1990`s, and the third generation mobile communication system called IMT-2000 are being actively researched and developed for standardization.
The third generation mobile communication systems will support voice, video, and low to high rate data services. So, these systems must have large capacity, ability to transfer data with various rates, and flexibility to support a wide range of environments. These systems are based on wideband CDMA (WCDMA) technologies and define a set of physical and logical channels, among which some channels are dedicated and some are common. Circuit voice and high rate data services are supported through dedicated traffic channels, however other packet based data services with short duration, such as Short Message Services (SMS), E-mail Indication Services, and signaling messages are provided through common traffic channels. It becomes important how to efficiently use limited wireless resources.
Common Packet Channel (CPCH) is a uplink common traffic channel and a collision based random access channel, that is adopted to carry small and medium sized messages in WCDMA system. The basic CPCH mechanism has been proposed and adopted for the packet transmission over CPCH channels. There have been many discussions related to the CPCH mechanism. To improve the efficiency, the CPCH mechanism with channel assignment and the CPCH mechanism with status monitoring have been proposed. These enhanced mechanisms can increase the throughput and reduce the delay, however they require more complex facility and cause more cost. And, the previous CPCH mechanisms cannot provide priority service.
In this thesis, we model the behavior of the previous CPCH mechanisms as a Markov process and analyze the mechanisms by utilizing the equilibrium point analysis (EPA). Previously, the performances of the CPCH mechanisms have been studied mainly through computer simulations. The S-G analysis has been studied.
However, the model for the analysis is different from the real system, because the analysis doesn`t apply the exact model and doesn`t consider the decrease of the performances which is caused to resolve a collision. The obtained results show that numerical results are approximated closely to simulation results. We can see that the CPCH mechanism with channel assignment shows the best performance. When the status is perfectly monitored, the CPCH mechanism with status monitoring shows approximately the same performance as the CPCH mechanism with channel assignment.
An enhanced CPCH mechanism and a CPCH mechanism for providing non-preemptive priority service are also proposed. The proposed enhanced CPCH mechanism is based on the basic CPCH mechanism and has a retrial random access. We analyze the performances of the proposed CPCH mechanism by utilizing the EPA. The obtained results show that the proposed CPCH mechanism increases the throughput as the interference caused by random access preambles doesn`t increase. Additionally, the proposed CPCH mechanism can be easily adopted without additional cost.
In the proposed CPCH mechanism for providing non-preemptive priority service, the acknowledgement time intervals are differently assigned to each class and a high priority user can steal the right for transmission until a low priority user starts to transmit its packets. Therefore, high priority users have more chances for transmission and the performances of the users are less affected by the number of lower priority users. The proposed priority CPCH mechanism is based on the previous CPCH mechanisms. So, the CPCH mechanism can be easily implemented. We obtain the performance results by using the EPA and the simulations. These results show that the proposed CPCH mechanism can stably provide priority service. The performance of high priority users largely depends on the number of high priority users. So, if an appropriate admission control is used for the proposed CPCH mechanism, delay sensitive service can be effectively supported via CPCH channels.
The third generation mobile communication systems support circuit voice and high rate data services through dedicated traffic channels. So, the admission and access control scheme is needed to efficiently accommodate services of heterogeneous bit rates and quality of service (QoS) requirements. To provide a real-time voice service, an admitted voice user is able to transmit its voice traffic at any time. So, the admission control is needed to provide a bounded error rate. Since voice users may not always transmit their traffic at their peak rate, there will be some bandwidth unused from time to time. This residual bandwidth can be used to service data users. Because of the bursty characteristic of data traffic, it is difficult to guarantee the error rate unless the shared channel is under utilized. Therefore, any improvement on the data traffic control is needed to increase the system capacity.
CDMA voice systems have been studied in great detail and the integration of voice and data services in wireless CDMA systems have been in some depth. Many researchers model the system only at the connection level and they don`t consider the voice activity factor. And, few queueing models for an integrated voice/data service have been proposed.
Our focus is on the burst level traffic control in the uplink. A multicode CDMA (MC-CDMA) is considered. In the proposed system, voice calls can be accepted as long as the number of admitted voice users doesn`t exceed the maximum number of voice users. An admitted voice user can transmit its traffic at any time. However, a data user can transmit its traffic if there remains enough residual capacity. The data request is handled with the threshold, which is dynamically assigned based on the current admitted voice calls. This thesis proposes an analytical queueing model for evaluating the performance of the system, which has a finite data request buffer. The performances are obtained in terms of outage probability, data request blocking probability, and mean data delay. The obtained results show that the proposed scheme can increase the performance without degrading QoS of voice traffic.
1970년부터 1980년대 걸쳐 음성을 중심으로 한 제 1세대 이동통신 시스템이 개발된 이후 이동통신은 통신 산업계에서 위치를 확고히 다지고 있다. 급속한 사용자의 증가와 다양한 서비스의 요구가 증가함에 따라 제 2세대 이동통신 시스템이 1980년과 1990년대에 등장하게 되었다. 현재는 IMT-2000이라 불리는 제 3세대 이동통신 시스템이 활발히 연구, 개발되고 표준화가 진행되고 있다.
제 3세대 이동통신 시스템은 음성, 비디오 및 다양한 전송률을 갖는 데이터 서비스를 지원한다. 이러한 시스템은 큰 용량과 다양한 전송률을 가진 서비스를 지원할 수 있어야 하며, 다양한 환경 하에서 서비스가 가능하도록 구성되어야 한다. 제 3세대 이동통신 서비스는 W-CDMA (WCDMA) 기술을 기반으로 하며, 트래픽 전송을 위해 물리적 채널과 논리적 채널을 정의하고 있다. 이 채널들 중에서 일부의 채널은 전용 채널로 사용되며, 일부의 채널은 공용 채널로 사용된다. 전용 채널은 회선용 음성 서비스와 높은 전송률를 가지는 데이터 서비스를 지원하고, 공용 채널은 SMS서비스, 이메일 알림 서비스, 시그널링 메세지와 같이 짧은 시간에 전송이 가능한 데이터 서비스들을 지원한다. 이러한 다양한 종류의 서비스를 지원하기 위해서 한정된 무선 자원을 효율적으로 사용하는 것이 중요하다.
Common Packet Channel(CPCH)는 역방향 공용 트래픽 채널로서 충돌 기반의 랜덤 액세스 채널이다. 이 채널은 WCDMA환경에서 짧은 길이나 중간 길이의 메시지를 전달하는 용도로 사용된다. Basic CPCH 기법이 CPCH 채널을 위한 기법으로 처음 제안 되었고, CPCH 채널과 관련된 기법이 계속 제안되고 논의되고 있다. Basic CPCH 기법보다 효율성을 증가시키기 위해서, 채널 할당 CPCH 기법과 상태 관측 CPCH기법이 제안되었다. 두 기법 모두가 처리율을 증가시키면서 지연을 줄이지만, 복잡도를 증가시켜 비용이 증가하는 결과를 낳게 된다. 또한 기존에 제안된 CPCH 기법들에서는 우선도를 제공하기 위한 서비스가 고려되어 있지 않다.
이 연구에서는 먼저 기존의 CPCH 기법들을 마코프 프로세스로 모델링을 하여 Equilibrium Point Analysis (EPA)를 사용하여 분석한다. 기존의 CPCH 기법들의 성능에 관한 연구들은 대부분 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하였고, 수식적 분석은 S-G 분석 방법을 이용한 분석 결과만이 나와 있다. 그러나 S-G 분석 방법은 분석을 위해 실제 시스템을 크게 근사화 시켜 결과를 얻는 관계로 실제 시스템과는 차이를 보이고 있다. 그 이유는 랜덤 액세스에 성공한 단말들 중 다시 하나의 단말을 선택하는 과정으로 인한 성능의 저하를 분석에 충분히 반영할 수 없기 때문이다. 이 연구의 성능 비교 결과에 의하면 제안한 분석방법이 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다. 또한 얻어진 결과들을 분석해 보면, 채널 할당 CPCH 기법이 다른 CPCH 기법들에 비해 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 만약 채널 상태가 완벽하게 관측이 가능한 경우에는, 상태 관측 CPCH 기법 또한 채널 할당 CPCH 기법과 거의 같은 성능을 보인다.
기존 CPCH 기법들의 분석에 이어서, CPCH 기법의 성능을 개선하기 위한 기법과 비선점 우선 순위 서비스를 제공하는 CPCH 기법을 제안하고 이 기법들의 성능을 EPA를 이용하여 분석한다. 성능을 개선하기 위해 제안한 CPCH 기법은 기존의 CPCH 기법을 바탕으로 랜덤 액세스 재시도 방식을 추가한다. 분석된 결과에 의하면, 제안한 재시도를 갖는 CPCH 기법이 랜덤 액세스 프리앰블의 전송으로 인해 발생하는 간섭을 증가시키지 않으면서, 기존의 CPCH 기법보다 처리율을 증가시키고, 지연을 줄임을 알 수 있다. 제안한 CPCH 기법은 기존의 CPCH 기법을 기반으로 하기 때문에 추가적인 비용을 들이지 않고 쉽게 적용될 수 있다는 장점을 갖는다.
비선점 우선 순위 서비스를 제공하는 CPCH 기법은 기존의 CPCH 기법들을 바탕으로 클래스에 따라 차별화된 응답 시간을 부여하고, 랜덤 액세스 과정에서 우선도가 높은 사용자가 낮은 사용자에게서 전송에 대한 권리를 뺏을 수 있도록 한다. EPA를 이용한 분석결과에 의하면, 제안한 CPCH 기법이 안정적으로 우선도 서비스를 제공함을 알 수 있다. 또한 높은 우선도를 가진 사용자의 성능은 높은 우선도를 가진 사용자 수에만 의존함을 확인할 수 있다. 만약 적절한 호 수락 제어 기법이 제안한 CPCH 기법과 같이 사용된다면 CPCH채널을 통해 지연에 민감한 서비스도 효율적으로 지원될 수 있을 것이다. 제안한 CPCH 기법은 기존의 시스템에 적용될 수 있다.
제 3세대 이동통신 시스템은 전용 트래픽 채널을 통해 회선 음성 서비스와 높은 전송률을 가지는 데이터 서비스를 지원한다. 그러므로, 서로 다른 전송율과 QoS 요구를 가진 서비스를 효율적으로 지원하기 위해 호 수락 제어 기법과 채널 액세스 제어 기법이 필요하다. 실시간 음성 서비스를 제공하기 위해 허락된 음성 사용자는 언제든지 음성 트래픽을 전송할 수 있어야 한다. 그러므로, 음성 사용자가 요구하는 서비스 품질을 보장하기 위해 음성 사용자의 수를 조절하기 위한 호 수락 제어가 필요하다. 음성 사용자들은 항상 허용된 최대 전송율로 트래픽을 전송하는 것이 아니므로, 때때로 사용되지 않은 여유 대역폭이 생기게 된다. 이 여유 대역폭이 데이터 사용자를 서비스하는데 사용될 수 있다. 데이터는 버스티한 성질을 가지고 있으며, 항상 여유 채널이 존재하지 않으므로, 시스템 용량을 늘이기 위해 향상된 데이터 트래픽 제어가 필요하다.
음성 서비스만을 지원하는 CDMA 시스템에 대한 연구는 상당히 많이 진척되어 있으나, 음성과 데이터 서비스의 통합에 대한 연구는 비교적 적은 편이다. 통합 서비스에 관한 많은 연구들은 연결 레벨에서 시스템을 모델링하고, 음성의 활성률은 고려하고 있지 않다. 또한 통합된 음성/데이터 서비스에 대한 큐잉 모델은 거의 제안되어 있지 않다.
본 논문에서는 multicode CDMA(MC-CDMA)를 사용하는 시스템에서 역방향에서의 버스트 레벨의 트래픽 제어방식을 연구한다. 제안한 시스템에서 음성 사용자들은 최대 음성 사용자수를 넘지 않는 범위 내에서 수용된다. 허락된 음성 사용자는 언제든지 트래픽을 전송할 수 있는 반면, 데이터 사용자는 충분한 잉여 대역폭이 있을 때만 전송이 가능하다. 데이터 사용자는 버스트 데이터가 발생할 때 마다 기지국에 트래픽 전송 요구를 보내며, 기지국은 현재 활성화된 코드의 수가 임계치를 넘지 않는 범위안에서 그 요구를 수용한다. 이 임계치는 음성 서비스의 품질을 유지하기 위하여 현재 수락된 음성호의 수에 따라 유동적으로 정해진다. 이 논문은 제한된 데이터 전송 요구 버퍼를 가지는 통합 서비스 시스템의 성능을 분석하는 대기 모델을 제안한다. Outage probability, 데이터 요구 블러킹 확률, 평균 지연시간으로 성능을 평가한 결과에 의하면 제안한 방식들이 각 트래픽의 QoS를 유지하면서 시스템의 용량을 증가시킴을 알 수 있다.
