In this thesis, we present a model to analyze the performance of bulk handoff for mixed traffic in voice/data integrated wireless networks. Based on the proposed model, the handoff performance is analyzed when a reserved channel scheme to give priority to handoff calls and a queueing scheme for data handoff calls are used.
It is assumed that cellular mobile communication networks consist of uniform and homogeneous cells and a fixed channel assignment scheme is used to assign channels to each cell. A cell is composed of a normal region and a transition region and is occupied with noncommunicating vehicles without ongoing calls and communicating vehicles with at least one call in progress. A new call originates from a vehicle as a Poisson process and the unencumbered service duration times for two types of calls have an exponential distribution with memoryless property. Here, we assume that voice and data calls have different arrival rates and different duration times. Bulk handoff arrival and bulk handoff departure occur by movement of vehicles independent of types of calls. If voice handoff and data handoff are requested simultaneously, a higher priority is given to voice handoff calls over data handoff calls.
In a system without queue, a cell state is expressed with a matrix denoting the numbers of vehicles which are classified depending on the type and number of calls in progress because arrival and departure of bulk handoffs due to movement of vehicles hosting calls have a Poisson distribution. In each state, state transitions are analyzed for new call arrivals, completions of calls in progress, handoff departure, and handoff arrivals of voice/data calls, and a multidimensional Markovian chain is found in equilibrium state. The state probabilities are found from a state equilibrium equation and a boundary condition.
A new call blocking probability can be found based on the condition that a new call is blocked when there is no idle channel except for the channel reserved for handoff calls. Since handoff calls are cut off depending on the type of calls and the number of available channels upon arrival, the handoff failure probabilities for voice and data handoff calls are obtained by considering the status of a target cell. The call forced termination probability which is one of most important measurements representing the performance of a mobile network is expressed as a function of a cell dwell time and a handoff failure probability. Additionally, the carried traffic which shows the efficiency of a system is expressed as a mean number of occupied channels per cell.
The numerical results based on the proposed analysis are presented and the effects of system parameters on the handoff performance are discussed. From the numerical results, it is revealed that voice handoff calls have the same blocking probability as that of new calls when no channel is reserved for handoff calls. This behavior of voice handoff calls is consistent with results in other works. The handoff failure probabilities of voice and data handoffs are significantly improved at heavy load with increase in the number of reserved channels at the cost of a minor increase in the new call blocking probability. Also, it can be seen that the voice handoff failure probability is slightly lower than that of data handoff calls, regardless of the offered load when a higher priority is given to voice handoff calls. Since this voice priority scheme can improve the forced termination probability rather than the handoff failure probability, it will be effective in handling with handoffs of mixed traffic.
In a system with queue, which has a finite queue to store control information of handoff calls, handoff requests are processed according to the number of available channels and the status of a FIFO queue when voice and data handoffs are requested at the same time. If the number of available channels is larger than the number of voice handoff calls, voice handoff calls are served first and data handoff calls are processed depending on the number of the remaining channels. A system state for handoff analysis is defined with both a cell state and a queue state. It is assumed that the processes to store handoff calls in queue and to assign free channels to the queued calls are carried out in a vehicle unit. A state equilibrium equation for a system with queue is found with consideration of the handoff defection which occurs when queued calls move outside the transition region before they are served.. The state probabilities for a system with queue are found from this state equilibrium equation in a similar way to a system without queue.
The numerical results show that the data forced termination probability can be improved without noticeable cost in other performance measurements. It is also shown that queueing effect is dependent on the user mobility and the improvement is the greatest for slowly moving users. Additionally, unlike the forced termination probabilities, the waiting time of data handoff calls is revealed to be insensitive to the queue size
본 연구에서는 음성과 데이터 호를 지원하는 통합 이동망에서 발생하는 트래픽의 핸드오프의 성능을 해석하기 위한 모델을 제시하고, 이를 기반으로 핸드오프 호에게 우선순위를 부여하기 위한 채널 유보 기법과 핸드오프 호를 큐에 저장하는 기법을 이용할 경우 핸드오프 성능을 분석한다.
이동망은 균일한 셀들로 구성되고, 각 셀에 대한 채널 할당은 고정 할당 방식으로 이루어진다고 가정한다. 정규 영역과 전이 영역으로 구분되는 셀 내부는 진행 호를 갖지 않은 비통신 차량과 진행 호를 한 개 이상 가진 통신 차량에 의해 구성된다. 새로운 호의 발생은 Poisson 분포에 따라 이루어지며, 호의 지속 시간은 비기억성 지수분포를 가진다. 음성과 데이터 호는 서로 다른 도착률과 지속 시간을 갖는다. 또한 핸드오프의 도착과 핸드오프 출발은 차량의 이동에 의해 집단으로 발생한다. 음성 호와 데이터 호의 집단 핸드오프가 동시에 이루어지면, 음성 핸드오프 호는 데이터 핸드오프 호보다 우선 순위를 갖는다.
없는 모델에서 차량의 이동에 의한 핸드오프의 도착과 출발은 Poisson 분포를 따르지만 이로 인한 호의 도착과 출발은 Poisson 분포를 따르지 않는다. 따라서 셀의 상태는 진행되는 호의 종류와 수에 따라 셀 내부에 있는 차량의 수를 이용하여 행렬 형태로 표현한다. 각 상태에서 음성 호와 데이터 호에 대하여 새로운 호의 도착, 진행 호의 종료, 핸드오프 호의 도착, 핸드오프 호의 출발에 의한 트래픽을 모델링하고 이로부터 상태 평형 방정식을 구한다. 상태 평형 방정식과 경계 조건(확률의 합=1)으로부터 상태 확률을 구한다. 셀에 여유 채널이 없을 때, 새로운 호는 차단되므로 이로부터 새로운 호의 차단 확률을 구할 수 있다. 핸드오프 호는 호의 종류와 여유 채널의 수에 따라 서로 다르게 차단되므로 셀의 상태에 따라 구분하여 음성 호와 데이터 호에 대한 차단 확률이 구해진다. 이동 통신망의 성능을 나타내는 가장 중요한 파라미터의 하나인 호의 강제 종료 확률은 호의 셀 체류시간과 지속시간 및 핸드오프 호의 차단 확률의 함수로 표현된다. 또한 시스템의 이용 효율을 나타내는 운반 트래픽은 셀 당 평균 점유 채널 수로 표현된다. 제안된 해석적 모델에 따른 수치해석을 통하여 부하 조건과 시스템 파라미터 변화에 따른 성능 변화를 확인할 수 있다. 유보 채널에 의한 우선 순위가 주어지지 않을 때 새로운 호의 차단 확률과 음성 핸드오프 호의 차단 확률은 같음을 알 수 있었다. 이는 단일 호의 핸드오프에 대한 기존의 연구 결과와도 일치한다. 유보 채널 수를 증가시키면 음성과 데이터 핸드오프 호의 차단 확률이 모두 크게 개선되며, 이로 인한 새로운 호의 차단 확률은 약간 상승하지만 핸드오프 호의 차단 확률 개선보다는 훨씬 작다. 또한 음성 핸드오프 호에게 우선 순위를 부여하면 데이터 핸드오프 호의 차단 확률은 약간 상승하나 그 영향은 미미하며, 이러한 우선 순위 기법은 핸드오프 호의 차단 확률보다 호의 강제 종료 확률을 더 크게 감소시키므로 혼합 트래픽의 핸드오프를 처리할 때 효과적이다.
있는 모델에서는 음성 호와 데이터 호의 핸드 오프가 동시에 요청될 때 셀의 여유 채널 수와 FIFO로 동작하는 큐의 상태에 따라 호의 핸드 오프가 처리된다. 여유 채널이 음성 호의 수보다 크면 음성 호가 먼저 서비스되고 데이터 호는 나머지 채널의 수에 따라 처리된다. 핸드오프 해석을 위해 큐의 상태를 정의하고 셀의 상태와 함께 전체 상태를 나타낸다. 큐가 있는 모델에서는 큐에 저장하는 처리와 저장 호에 대한 채널 할당 동작은 차량 단위의 집단으로 수행된다. 큐가 없는 모델에서는 발생하지 않는 큐의 이탈을 반영하여 상태 평형 방정식을 만들고 이로부터 상태 확률을 구한다. 수치해석의 결과로부터 핸드오프 호를 위한 큐를 사용하면 다른 성능 파라미터에는 나쁜 영향을 주지 않고 데이터 호의 강제 종료 확률을 크게 개선할 수 있음을 알 수 있다. 큐잉의 효과는 사용자의 이동성에 따라 다르게 나타나는데, 낮은 이동성을 갖는 사용자는 높은 이동성의 사용자보다 큐잉의 효과가 더 크게 나타났다. 또한 큐의 길이를 늘려도 큐 대기 시간은 크게 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.
