Due to the continued growth of the Internet and the increasing speed with packet-switched technologies, packet data networks have become major trend in the network field. On the other hand, wireless communication environments have grown explosively in recent years. The success of cellular system has enabled voice communication to go outdoors and the wireless LAN technology makes it possible to access the Internet indoors without a cable. As a result, users would like to access electronic data and services anywhere, anytime, using portable and affordable wireless terminals. Due to these needs, wireless networks are quickly becoming an integral part of the Internet. Therefore, the efficient packet data transmission will be a very important in wireless networks such as 3G or 4G cellular systems and mobile ad-hoc networks.
There are many researches to efficiently deliver data over the wired packet networks. Many fancy and effective flow control mechanisms have been proposed and implemented on the wired packet data networks like the IP domain network. However, we would not be able to use these mechanisms directly over a wireless network, which has many different properties from wired one. The wireless network has a high error rate, low bandwidth, fast fading, and sudden degradation in signal quality. These properties increase the cost of wireless resources and lead to characteristics like lossy link, variable delay, fluctuating bandwidth, and sudden channel blackout. Therefore I will research on efficient packet data flow control mechanisms for wireless networks in the transport and network layer.
I have been researching in two parts: end-to-end TCP flow control in transport layer and per-packet flow control in network layer. In the first part, I work on TCP flow control mechanisms. The TCP, which consists mostly of Internet traffic, does not work well in a wireless network. Considerable research has tried to improve TCP performance in a wireless network, especially in the face of the wireless link loss problem. TCP performance, however, is also deeply influenced by dynamic wireless environment, and the performance in variable channel conditions has not been studied widely. Therefore I observe the behavior of the traditional standard TCP performance in the face of variable channel conditions. And then I will propose new TCP flow control mechanisms that improve TCP performance efficiently. In the second part, I am researching on wireless packet flow control with fairness. In the Internet, supporting multimedia communication applications requires the network to provide quality of service to packet flows. In wired networks, FFQ (Fluid Fair Queueing) has been a popular paradigm for providing fairness among packet flows over a shared link. And a number of approximation algorithms for the implementation have been proposed and deployed. However, the wireless channel has different properties from wired one and these algorithms cannot apply directly to wireless networks. There have also been many proposed algorithms for wireless network. Recently, a number of fair queueing algorithms for wireless networks have been proposed. They, however, have assumed the perfect channel prediction before transmission and have rarely considered medium access control algorithm. By the way, in the wireless world, the link level retransmission scheme is popularly used in the MAC layer for recovering channel errors. Therefore, in this dissertation, I will propose a new wireless fair queueing algorithm that works well with the link level retransmission as well as does not need the channel prediction.
인터넷의 끊임없는 성장과 패킷 스위칭 기술의 발달로 인해 패킷 데이타 네트워크는 네트워크 분야에서 매우 중요한 기술적 바탕으로 떠오르고 있다. 이와 동시에 무선 네트워크 기술 또한 무선랜과 이동 통신 기술의 보급에 힘있어 크게 발달하였다. 그 결과 사람들은 들고 다닐 수 있는 작은 무선 장치를 이용해 인터넷 서비스와 같은 무선 데이타 서비스를 언제 어디서나 자유로이 받고자 하는 욕구가 증대되었다. 따라서 3세대 이상의 이동 통신 시스템이나 이동 네트워크 시스템에서는 효율적인 패킷 데이타 전송을 위해 패킷 흐름 제어 기술이 절실히 필요하며, 이 기술은 앞으로의 패킷 네트워크 발달에 매우 중요한 역할을 하게 될 것이다.
유선 네트워크 상에서 효율적인 데이타 전송을 위한 연구는 이미 많이 진행되어 여러 알고리즘들이 제안되고 또 구현되어져 왔다. 하지만 이러한 알고리즘들을 무선 네트워크에 직접적으로 적용할 수는 없다. 무선 네트워크는 유선 네트워크와는 달리 높은 에러율과 작은 대역폭, 급작스러운 신호 변화 등 무선 만이 가지는 고유한 성질을 지니고 있기 때문이다. 그러므로 본 논문에서는 전송 계층과 네트워크 계층에서 효율적으로 패킷을 전송할 수 있는 무선 네트워크 기반 패킷 흐름 제어 알고리즘들을 제안한다.
본 논문은 크게 전송 계층에서의 연구와 네트워크 계층에서 연구로 나누어 진다. 전송 계층에서는 종단간 TCP 흐름 제어에 관한 연구를 수행하였고 네트워크 계층에서는 패킷간의 흐름 제어에 관한 연구를 수행하였다. 인터넷 트래픽의 대부분을 전송하는 TCP는 무선 네트워크에서 유선 네트워크처럼 잘 동작하지 못한다. 이는 TCP가 무선 네트워크에서 발생하는 특성을 고려하지 않았기 때문이다. 하지만 무선 TCP에서도 많은 부분 연구가 진행되어져 왔다. 특히 무선 링크 손실 문제에 있어서는 TCP 성능 향상은 매우 중요하게 다루어 졌고 그 결과 다양한 방법들이 제안되었다. 그러나 아직 동적인 무선 환경에 적응적으로 대처할 수 있는 부분에 관한 연구는 미진한 편이다. 따라서 본 논문에서는 동적 무선 환경에서 TCP 성능이 어떻게 변화하는지를 실험을 통해 살펴 보고 무선 TCP 성능을 향상시킬 수 있는 TCP 플로우 제어 알고리즘을 제안한다. 제안하는 기법은 크게 기지국의 도움을 받는 시스템적 기법과 시스템에 의존하지 않고 TCP 프로토콜 만을 수정함으로써 성능을 개선하는 프로토콜 기법이 있다. 두 방법 모두 무선 단말에 있는 TCP 수신 윈도우 만을 동적으로 변화하는 무선 네트워크 환경에 맞추어 적절히 변화시킴으로써 무선 TCP 성능을 최대화하기 때문에 매우 현실적인 방법이라고 볼 수 있다.
둘째로 네트워크 계층에서 공평성(Fairness) 확보를 위한 패킷간의 흐름 제어 기법에 관해 연구를 수행하였다. 인터넷에서 멀티미디어 통신 응용프로그램을 지원하기 위해서는 패킷 플로우에게 차등화된 서비스 품질을 제공해 주는 방법이 필요하다. 유선 네트워크 상에서 플로우들 사이의 공평성 확보와 서비스 품질 차별화를 위한 방법으로는 FFQ (Fluid Fair Queueing) 모델이 대표적이며, 이미 이 FFQ 모델을 기반으로 여러 모사 알고리즘들이 제안되고 구현되었다. 하지만 여기서도 유선 네트워크를 기반으로 제안된 공평성 확보 알고리즘들은 무선 네트워크의 특성으로 인해 직접적으로 무선 네트워크에 적용되어 질 수 없다. 따라서 유선 네트워크 기반의 알고리즘들을 무선 네트워크로 확장하고자 하는 연구가 진행되어져 왔다. 하지만 대부분의 기존 무선 네트워크 기반 공평성 확보 알고리즘들은 전송 전에 완벽한 채널 예측을 요구하거나 특수한 매체 접근 제어 알고리즘을 필요로 한다. 그리고 일반적인 매체 접근 제어 알고리즘에서 널리 사용되는 링크 계층 재전송 기법을 전혀 고려하지 않는다. 따라서 본 논문에서는 패킷 전송 이전에 채널 예측을 요구하지 않고, 동시에 링크 계층 재전송 기법을 반영한 새로운 패킷 흐름 제어 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 다른 무선 공평 흐름 제어 알고리즘이 제공하는 서비스 품질을 모두 보장하면서도, 일반적인 매체 접근 제어 알고리즘에서 사용하는 링크 계층 재전송 기법을 수용하는 장점을 지닌다.
