CDMA scheme has becoming a most promising technology for the current cellular systems due to its various advantages such as outstanding voice and call quality, greatest coverage for lower cost, fewer dropped calls, improved security and privacy, greater capacity, etc. However, the explosive growth of mobile communication has presented some technical challenges relating to call management issues, which must be met in order to provide services with the smallest number of failures, good quality and the widest availability.
First, we consider a call control policy at each cell, which gives priority to handoff calls over new calls while meeting the overall call quality. In the CDMA system, all (active) users share a common spectral frequency, thus being differentiated by uniquely assigned digital codes. Thus, the number of acceptable users is theoretically infinite. However, since other user signals interfere with the desired signal, the desired signal is always much smaller than the total of other interfered signals. Therefore, a CDMA cellular system requires call admission control which limits the number of new users.
In a CDMA system, the key call control criterion is based on the outage probability, which is the fraction of time that servicing an ongoing call can be discontinued when a required level of the quality of service is not guaranteed any further owing to the increase of total interference. The mechanism of achieving the objective by limiting the number of active new calls within a threshold value is called the threshold-type call admission control (CAC) in the thesis. We consider a call control policy at each cell, which gives priority to handoff calls over new calls while meeting the overall call quality. New calls are first under the call control of the threshold type, and then receive services together with the handoff calls but under the outage restriction guaranteeing a pre-specified call quality. An optimization model with such quality-guaranteeing constraints is formulated, which is to determine the threshold value for each cell, minimizing the new call blocking probability. Also, we propose a solution heuristic, with which a number of simulations are conducted under a variety of traffic environments. The computational experiments evaluate the usefulness of our call control scheme in that handoff calls are given an appropriate level of priority while the system capacity is effectively utilized.
Second, by evaluating the CDMA system performance measures, we investigate the effect of the soft handoff scheme according to the size of soft handoff region. One of the most important merits of the CDMA cellular system is its soft handoff capability for higher communication quality. Once in the soft handoff region, a mobile is usually linked via multiple signal paths to both the current base station and the target base stations, guaranteeing a smooth transition without the chance of the ongoing call being dropped, as in the hard handoff scheme.
In a general CDMA cellular system environment, extending the relative portion of soft handoff region to the whole cell area is bound to enlarge the cell coverage area, which in turn increases the new call arrival rate of the cell. Performance analysis on the CDMA system, however, was conducted in the several papers with the new call arrival rate in a cell given fixed, based on the incorrect setting for a general environment that the relative portion of the soft handoff region can be increased while keeping the new call arrival rate of the cell constant. In this thesis, the modification on the new call arrival rate, on the contrary to the previous study, leads to the conclusion that measures such as blocking and handoff refused probability become poorer as the size of the soft handoff region gets larger.
Finally, we consider the traffic grooming and lightpath routing problem in an optical backbone network, which will efficiently accommodate various kinds of services and rapidly growing traffic using both IP (Internet protocol) control technology and photonic technology. The advent of wavelength division multiplexing (WDM) transmission technology has brought about tremendous bandwidth increase in wide area networks. From among a host of related research issues, lightpath routing, wavelength assignment, and traffic grooming have recently attracted attention as a means to reduce the associated network costs.
This thesis addresses the traffic grooming and lightpath routing problem in an optical WDM mesh network. Augmenting the network by adding a dummy node and a set of dummy arcs, the whole problem is successfully modeled as a mixed Integer Programming problem. Admitting the computational complexity of the presented model, we, instead of presenting an exact solution method, develop a heuristic algorithm, which provides good solutions within a few seconds even for large-scale networks. The computational experiments with realistic network input data reveal that the proposed heuristic performs satisfactorily in both the speed and the quality of the solutions generated.
CDMA 시스템이 가진 통화 품질의 우수성, 낮은 네트워크 구축 비용, 보안의 우수성, 통화 단절현상의 최소화 등의 다양한 장점들로 인하여 가장 널리 사용되는 셀룰러 네트워크 기술 중의 하나가 되었다. 아울러, 이동통신의 폭발적인 수요 증가로 인하여 좀더 많은 가입자를 수용하고 가입자들에게 높은 품질의 서비스를 제공하기 위한 CDMA 셀룰러 네트워크와 관련된 수많은 연구들이 수행되고 있다. 본 논문은 CDMA 셀룰러 네트워크의 무선구간에서의 호 관리(call management) 이슈인 호 수락 제어(call admission control) 기법 및 소프트 핸드오프(soft handoff)에 관한 주제와 유선구간인 광 백본망에서의 트래픽 관리 이슈인 수요 집적(traffic grooming) 및 광경로 설정(lightpath routing)에 관한 주제를 다루고 있다.
먼저, CDMA 셀룰러 네트워크상에서 가장 중요한 호 관리 이슈인 호 수락 제어에 대한 내용을 다룬다. CDMA 시스템은 모든 사용자들이 공통의 주파수를 사용할 수 있으므로, 이론적으로 수용할 수 있는 가입자의 수에는 제한이 없으며, 동일한 주파수를 사용하는 사용자들은 서로 다르게 부여된 디지털 코드에 의해 구분된다. 하지만, 사용자들의 신호는 다른 사용자들에게는 간섭(interference)으로 작용하므로, 시스템이 수용 가능한 사용자의 수 이상으로 현재 사용자가 늘어나면 전체적으로 통화 품질이 떨어져 정상적인 제공이 어려운 상황에 직면할 수 있다. 따라서, 새로 통화를 시도하는 사용자의 수를 제한함으로써 통화 서비스의 품질을 보장하기 위한 호 수락제어 기법이 요구된다.
본 논문에서는 호 수락제어의 기준으로 서비스 차단 확률(outage probability)을 사용하고 있으며, 이는 사용자의 수가 너무 많아 전체적인 통화 서비스의 품질 보장을 위해서 현재 서비스를 받고 있는 사용자들의 서비스가 제한되는 확률을 의미한다. 하나의 셀(cell)을 대상으로 수용 가능한 사용자의 수를 임계치(treshold value)로 정하고, 임계치 이하의 값으로 새로운 사용자의 수를 제한하는 호 수락제어 기법을 treshold-type call admission control이라고 한다. 본 연구에서는 전체 셀을 대상으로 호 발생 비율(new call arrival rate) 및 핸드오프 비율(handoff off rate)에 따라 각 셀 마다 임계치를 개별적으로 결정하는 문제를 다루고 있다. 각 셀내의 새로운 사용자의 수를 임계치 이하로 제한함으로써, 핸드오프되는 사용자에게 서비스에 대한 우선권을 부여할 수 있다. 먼저, 각 셀에서의 호 발생 및 핸드오프 비율에 따른 서비스 차단 확률(outage probability) 및 호 차단 확률(new call blocking probability)을 확률 모형을 통해 구했다. 이를 기반으로 정해진 서비스 품질을 보장하는 조건하에서 호 차단 확률을 최소화 하기 위한 임계치를 결정하는 최적화 모형을 설계하였으며, 이를 해결하기 위한 발견적 해법을 제시하였다. 또한, 다양한 트래픽 환경하에서 모의실험을 수행하였으며, 실험결과는 본 연구에서 제안하는 호 수락제어 기법의 유용성을 잘 보여주었다.
본 논문의 두번째 주제는 CDMA 시스템에서의 또다른 호 관리 이슈인 소프트 핸드오프(soft handoff)의 성능 분석에 대한 내용을 다루고 있다. CDMA 셀룰러 시스템의 가장 큰 장점 중의 하나인 소프트 핸드오프는 하드 핸드오프(hard handoff)와는 달리 진행중인 호의 순간적인 통화 단절없이 해당 기지국과의 연결을 부드럽게 변경함으로써 통화 품질을 개선시킨다. 이러한 핸드오프 방식은 단말이 소프트 핸드오프 영역에서 여러 개의 기지국(base station)으로부터 신호를 동시에 수신함으로써 가능하다.
본 논문에서는 소프트 핸드오프 영역의 크기 변화에 따라 서비스 받고 있는 트래픽(carried traffic), 핸드오프 영역에서 서비스 받고 있는 트래픽(carried handoff traffic), 호 차단 확률(call blocing probability), 핸드오프 거부 확률(handoff refused probability) 등의 시스템 성능 지표들이 받게 되는 영향을 분석하였다. 일반적으로 핸드오프 영역을 크게 만들기 위해서는 기지국에서의 신호의 세기를 크게 함으로써 셀 영역(cell coverage) 자체가 커져야 하므로, 이전의 연구에서 셀 영역의 크기 변화없이 핸드오프 영역을 크게 만드는 가정은 비현실적이다. 먼저, 진행중인 호의 셀 내의 지속시간(cell dwell time)을 확률 모형을 통해 구했으며, 이를 바탕으로 시스템 분석을 위한 큐잉 모형(queueing model)을 제시하였다. 다양한 모의실험의 결과는 이전의 연구 결과와는 달리 핸드오프 영역의 크기가 커짐에 따라 핸드오프 거부 확률 및 호 차단 확률이 증가하는 현상을 보여 주었다.
마지막으로 본 논문에서는 광 백본망에서 수요집적 및 광경로 설정에 관한 문제를 다루고 있다. 파장 분할 다중화(wavelength division multiplexing, WDM) 방식의 등장으로 백본망에서의 대역폭이 획기적으로 증대되었다. 따라서, WDM 기술과 관련된 많은 연구들이 수행되어 왔으며, 그 중에서 광경로 설정(lightpath routing), 광파장 할당(wavelength assignment) 및 수요 집적(traffic grooming) 등이 많은 관심의 대상이 되고 있다.
본 연구는 WDM 매쉬(mesh) 형태의 네트워크상에서의 수요집적 및 광경로 설정 문제를 해결하기 위한 방안을 제시하고 있다. 더미 노드(dummy node)와 아크(arc)를 이용하여 문제를 효율적으로 해결하기 위한 복합 정수계획법(mixed Integer Programming) 문제를 수립하였으며, 규모가 큰 네트워크 상에서의 수요 집적 및 광경로 설정 문제를 해결하기 위한 발견적 해법을 제시하였다. 다양한 실험을 통해서 본 연구에서 제안된 알고리즘이 계산 속도나 해의 정확도 측면에서 만족스러운 결과를 제시함을 보여 주었다.
본 논문에서 다루고 있는 CDMA 셀룰러 네트워크의 무선 구간과 유선 구간에서의 호 관리 기법에 관한 연구는 셀룰러 네트워크의 설계 및 운영에 있어서 의사결정을 위한 중요한 시스템 정보를 제공하고 있으며, 향후 WCDMA와 같은 3세대 시스템에서도 활용 가능성이 높을 것이라 기대된다.
