In traditional circuit-switching cellular networks supporting voice and low bit rate data, each mobile is allocated a channel during its holding time. But,the explosive growth of mobile users and the Internet accelerates the change of circuit-switching mode of operation to the packet-switching one. In order to support those demands for the high data rates and more advanced multi-media services in the wireless networks, many Medium Access Control(MAC) protocols aiming to share radio resources among prospective clients by utilizing the heterogeneous characteristics of traffic are proposed. A common feature of those protocols is the employment of packet-switching mode of operation and demand-based assignment with contention-based reservation. Performance of those proposed MAC protocols has been evaluated by computer simulation or some theoretical methods.
In this dissertation we present a new approach to the theoretical analysis of the performance of MAC protocols which employ demand-based assignment with contention-based reservation schemes. Our method is based on the queueing theory. We classify mobiles in a cell into classes according to their traffic characteristics and analyze the state of a mobile representing a class through queueing modeling and analysis. The influence of a mobile on the performance of others is expressed by parameters involved in the contention and data transmission scheme. In Chapter 3 and 4, we model a data mobile in the wireless packet network and cdma2000, respectively, by a queueing system and analyze their performance. In particular, in Chapter 3, we present the procedure in detail to calculate the parameter which represents the influence of a mobile on the performance of others. We study a queueing system which is applicable to the control of hand-off call in a wireless network in Chapter5.
Now we describe our works in more detail. In chapter 3 we consider a cell in a wireless packet network(MC-CDMA/DQRUMA network) with a variety of mobiles servicing multi-rate traffics. We model one multi-rate mobile in this network as a discrete-time queueing system with a set-up time and batch service where the service batch size is a random variable depending on the present queue size. We obtain the probability distribution of the queue size at steady state and the waiting time distribution. Next, we classify mobiles in the cell into several classes according to their transmitter capability, traffic characteristic and QoS requirement, and then we obtain the set-up time distribution of a mobile in each class. Finally, we show that our analytic results match quite well with simulation ones.
In chapter 4 we present an analytic model of the cdma2000 data mobile servicing a connected data service. We first model the generated traffic at mobile by a discrete-time Batch Markovian Arrival Process(D-BMAP). Next, we model the Radio Link Protocol(RLP) Queue in the cdma2000 MAC protocol by a D-BMAP/D/1 queueing system with batch service and setup times. Finally, we analyze the general D-BMAP/D/1 queueing system with batch service and setup times and get the performance measures such as the mean delay and the loss probability.
In chapter 5 we deal with a single-server retrial queueing system having two modes of operation. Under the fixed mode, the system operates as an usual system with a Batch Markovian Arrival process, semi-Markovian service process and a constant total retrial rate. Different modes are distinguished by characteristics of the input, service and retrial rate. The mode of operation can be switched at the service completion epochs depending on the orbit-length. The strategy of control belongs to the class of hysteretic strategies. We calculate a stationary distribution of numbers of calls in the orbit at service completion epochs. We also discuss the problem of optimizing the strategy of control.
이동 가입자와 인터넷의 폭발적인 증가로 인해 무선망에서 인터넷서비스로 대표되는 멀티미디어 서비스를 효율적으로 제공하기 위한 방안에 대한 연구가 필요하다. 무선망에서 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 예상되는 서로 다른 특성의 트래픽을 갖는 고객들이 무선 자원을 공유하기 위한 여러가지 MAC 프로토콜들이 제안되어왔다. 그러한 프로토콜들은 경쟁을 통한 자원 예약, 수요에 근거한 자원할당 원칙, 그리고 패킷 교환 방식의 망 운용을 공통적인 특성으로 하고 있다. 제안된 MAC 프로토콜들의 성능은 컴퓨터 시뮬레이션이나 단순한 이론적인 방법들을 통해 분석되어왔다.
본 논문에서는 경쟁을 통한 자원 예약과 수요에 근거한 자원 할당 원칙의 MAC 프로토콜 성능 분석에 더 적합하고 엄밀한 이론적인 방법을 제안한다. 여기서 제안하는 방법은 각 이동 단말기에 대한 대기모델링 및 분석을 이용한 이론적 분석방법이다. 본 논문의 3장과 4장에서는 각각 무선 패킷 통신망과 cdma2000망에서의 데이타 단말기에 대한 대기 모형 설정 및 분석을 통해 성능 측도들을 구하였다. 특히, 3장에서는 하나의 단말기가 다른 단말기의 성능에 미치는 영향을 나타내는 파라메터를 구하는 절차도 구하였다. 5장에서는 무선망에서 Hand-off호를 제어하는 데 적용 가능한 대기 모형에 대해 분석하였다.
3장에서는 Multi-rate 서비스를 제공하는 단말기들로 구성된 무선 패킷망(MC-CDMA/DQRUMA망)에서 하나의 셀을 연구하였다. 이 망에 속한 하나의 Multi-rate 단말기는 이산 시간 대기모형으로 모델링되는 데, 특히 이 모형은 set-up time을 가지며 batch 서비스 특성을 지니는 데, batch size는 큐길이에 따라 결정된다. 평행상태에서의 큐길이에 대한 분포와 대기시간에 대한 분포를 구하였다. 다음으로, 셀 내의 단말기들을 트래픽 특성 및 전송능력 등을 토대로 몇 개의 클래스로 분류한 후 각 클래스에 속한 단말기의 set-up time 분포를 구하였다. 우리가 제시한 해석적인 방법의 정확성은 시뮬레이션 결과들과의 비교를 통해 우수함을 보였다.
4장에서는 연결성 데이타 서비스를 제공하는 cdma2000 데이타 단말에 대한 해석적인 모형을 제시하였다. 먼저, 단말기에서 생성되는 트래픽을 D-BMAP로 모델링하고, cdma2000 MAC 프로토콜의 RLP Queue를 batch 서비스와 set-up time을 가지는 D-BMAP/D/1 대기모형으로 모델링하였다. 일반적인 형태의 batch서비스와 set-up time을 가지는 D-BMAP/D/1 대기시스템에 대한 분석을 하고, 평균 지연시간과 손실율 등의 성능 측도들을 구하였다.
5장에서는 두 가지 모드로 작동하는 retrial 대기시스템을 분석하였다. 이 시스템은 각각의 모드에서는 BMAP/SM/1 retrial 대기시스템으로 작동하며, 각 모드는 입력, 서비스 및 retrial을 나타내는 파라메터들의 값을 통해 구별된다. 작동 모드의 스위칭 여부는 서비스 완료시점의 orbit에 있는 call수에 따라 결정되며, 이중 문턱값을 갖는 제어방식을 택한다. 본 장에서는 서비스 완료시점에 orbit에 있는 호의 수에 대한 분포를 구하였고, 아울러 이 분포를 이용하여 제어방식의 최적화에 대해서도 살펴보았다.
