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Performance analysis and enhancements of VoIP service schemes in IEEE 802.16 broadband wireless access system = IEEE 802.16 광대역 무선 접속 시스템에서의 VoIP 서비스 방식 성능 분석 및 개선
서명 / 저자 Performance analysis and enhancements of VoIP service schemes in IEEE 802.16 broadband wireless access system = IEEE 802.16 광대역 무선 접속 시스템에서의 VoIP 서비스 방식 성능 분석 및 개선 / Jee-Young Song.
저자명 Song, Jee-Young ; 송지영
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
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초록정보

IEEE 802.16 standard, based on the DOCSIS standard for cable network, was designed to provide high data-rate up to 54Mbps for nomadic users, and voice over IP service is expected to be one of the most prominent service in commercial 802.16 network. Even though voice traffic has been served with dedicated channel in circuit-switched fashion traditionally, it is packetized through voice codec to utilize the wireless resources efficiently, and evolves toward IP-based VoIP service. Naturally, analytic method and enhancements for accommodating VoIP users efficiently in 802.16 system are required. In the this dissertation, traffic characteristics are studied in case that enhanced technologies such as header compression, silence suppression, and adaptive modulation and coding are adopted, and analyzed by queuing model. In addition, enhanced UGS scheduling schemes for supporting header compression and silence suppression are proposed and analyzed. VoIP has a problem that the amount of payload header from RTP, UDP and IP is much larger than payload from voice codec. Several header compression schemes have been proposed as a remedy for the inefficiency, and they are strongly required for wireless access system that supports IP-based multimedia services. The 802.16 system has the payload header suppression (PHS) as an option, but PHS has less performance than Robust header compression (ROHC). We propose a convergence sublayer and enhanced UGS scheme for supporting ROHC. Then, the performance of UGS scheme supporting header compression is analyzed. Silence suppression detects silence period and holds off generating VoIP payload. With considering that silence period has about 65% duration during voice call, the amount of voice traffic could be greatly reduced by silence suppression. After silence suppression, VoIP traffic has different characteristic from non-suppressed one. We investigate queuing model for describing changed arrival process and analyze the system performance. We also propose and analyze enhanced scheduling scheme based on UGS, which efficiently support silence-suppressed traffic. Different from wired channel, wireless channel is time-varying and error-prone. Adaptive modulation and coding (AMC) selects best modulation scheme and coding rate (MCS) according to the condition of wireless channel, so could optimize the utilization of wireless resources with satisfying required error rate. With adopting AMC, every transmission may has different MCS level, and arrival process of traffic could be changed. Thus, arrival process of slots after AMC is described by batch Markovian arrival process, and the performance of UGS scheme with AMC is analyzed. Usually, voice calls have not only wide range of mobility, but also stringent delay constraint compared to data users. Meanwhile, in the environment where access networks such as WLAN, 2G and 3G cellular system, and WiMAX systems coexist, users want to select the best access network according to the traffic characteristics, coverage, fee, and so on. Proposed hybrid coupling scheme provides high data-rate at low cost to data users, and seamless mobility to voice users, in interworking environment with multiple access networks. From the vertical handoff scenarios between WiMAX and UMTS, we could verify that handoff latency is reduced in proposed interworking architecture.

IEEE 802.16 표준은 케이블 망 표준인 DOCSIS를 바탕으로, 비교적 낮은 이동성을 갖는 사용자 기준으로 최대 54Mbps의 전송률을 제공할 수 있는 광대역 무선 접속 시스템으로 설계되었으며, 현재 상용화를 앞두고 있다. 전통적으로 회선 교환 방식으로 서비스 되어 오던 음성 호는 음성 코덱을 통해 패킷화 된 형태로 발전하였으며, 한 단계 더 나아가 IP 기반의 VoIP 서비스로 진화하여 보편화 되고 있다. 이러한 Voice over IP 서비스는 추후의 상용 802.16 망에서 가장 중요한 서비스가 될 것으로 예상되고 있으며, 따라서 VoIP 서비스를 보다 효율적으로 제공할 수 있도록 시스템 성능 개선 방안 및 실제에 가깝게 시스템 성능을 분석할 수 있는 방안이 필요하다. 본 논문에서는 헤더압축(Header compression), 묵음구간제거(Silence suppression), 적응적 변복조 및 부호화 (Adaptive modulation and coding, AMC) 선택 방식 등의 새로운 기술이 적용되는 경우 달라지게 되는 VoIP 트래픽 특성을 살펴 보고, 대기 모델을 통하여 트래픽을 분석하는 방법을 제시하였다. 특히 헤더 압축 및 묵음 구간 제거 방식이 적용되는 경우의 트래픽을 효율적으로 서비스할 수 있도록 기존의 UGS 스케줄링 방식을 개량한 새로운 UGS 방식을 제안하고 성능을 비교, 평가하였다. VoIP 서비스의 경우, 음성 코덱에서 발생하는 VoIP 패킷 크기에 비해 RTP, UDP 및 IP 계층의 헤더 크기가 세 배 이상으로 훨씬 크다는 문제가 있다. 헤더 압축 방식은 이러한 비효율성을 개선하기 위한 것으로, 특히 802.16 시스템과 같이 IP 기반의 멀티미디어 서비스를 제공하고자 하는 무선 접속 시스템에는 반드시 필요하다. 802.16 시스템은 자체의 헤더 제거 방식을 선택사항으로 포함하고 있으나 이 방식은 가장 널리 쓰이는 Robust header compression (ROHC) 방식에 비해 성능이 뛰어나지 않다. 본 논문에서는 ROHC 헤더 압축 방식을 지원하기 위한 convergence sublayer를 제안하고, ROHC를 통해 압축된 VoIP 트래픽을 효율적으로 서비스하기 위한 새로운 UGS 스케줄링 방식을 제안하고 성능을 평가하였다. 묵음구간제거는 음성이 발생하지 않는 구간을 감지하여 트래픽을 발생시키지 않는 방식으로, 대개의 음성호에서 전체 호 길이 중 65% 가량이 묵음구간임을 고려할 때 음성 트래픽의 양을 크게 줄일 수 있다. 묵음구간제거 방식이 적용되는 경우에는 트래픽의 특성이 달라지게 되며, 본 논문에서는 이를 실제에 가깝게 모델링하여 분석할 수 있는 대기 이론 모델 및 이러한 트래픽을 효율적으로 수용할 수 있는 스케줄링 방안을 제안하고 성능을 평가하였다. 무선 채널은 유선 채널과 달리 시간에 따라 변하며 오류 발생률이 높다는 특성이 있다. 적응적 변복조 및 부호화 선택 방식은 무선 채널의 상황에 따라 변복조 및 부호화율을 달리 하는 방식으로, 시스템에서 요구하는 오류 발생률을 만족시키면서 무선구간 자원 활용을 극대화할 수 있는 방안이다. 변복조 방식과 부호화율 (MCS level)이 고정되어 있는 기존 방식과 달리 AMC를 적용하는 경우에는 매 전송시 새로운 MCS level이 할당될 수 있어 이에 따라 트래픽 특성이 달라지게 된다. 본 논문에서는 AMC를 거친 후 발생되는 트래픽을 집단도착과정 및 마코비안 도착과정을 이용하여 모델링하고, 성능을 분석하였다. 음성호 사용자의 경우 데이터 사용자에 비해 높은 이동성을 가지는 동시에 트래픽 자체의 특성 상 허용되는 지연의 기준이 엄격하다. 특히 무선랜, 2세대 및 3세대 셀룰러 이동통신 시스템, 802.16 시스템 등 여러 종류의 무선접속시스템이 혼재되어 있는 환경에서, 사용자는 트래픽 특성, 커버리지, 요금 등에 따라 최적의 무선접속망을 선택하여 서비스를 받는 추세이다. 따라서 음성호 사용자의 이동성, 특히 여러 무선접속방식이 혼재된 연동망에서의 끊김 없는 이동성을 보장하기 위한 방안이 필요하다. 본 논문에서 제안된 하이브리드 연동 방식은 데이터 사용자에게는 낮은 비용으로 높은 전송률의 서비스를 제공하고, 음성호 사용자에게는 끊김 없는 이동성을 제공할 수 있는 방식이다. 도출된 WiMAX-UMTS 사이의 핸드오프 시나리오를 통해 제안한 방식을 이용하면 연동망에서 핸드오프 지연이 크게 낮아짐을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 07014
형태사항 [ix], 93 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 송지영
지도교수의 영문표기 : Dong-Ho Cho
지도교수의 한글표기 : 조동호
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학전공,
서지주기 Reference : p. 80-83
주제 IEEE802.16
VoIP
광대역무선접속시스템
IP기반음성호
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