The provision of quality-of-service (QoS) is an important and challenging topic in the design of recent packet networks. To achieve this goal, an effective resource allocation and scheduling scheme is very crucial. Moreover, the scheduling scheme needs to maximize network resource utilization because network resources are usually limited, especially for a wireless environment.
First, an optimal bandwidth and buffer allocation scheme is proposed for a switching node in an environment of heterogeneous traffic with multiple QoS. The proposed scheme minimizes the total required bandwidth for traffic classes to satisfy their packet loss rate (PLR) and delay requirements. A constrained optimization problem is formulated in a general form regardless of bandwidth allocation methods so that it can be applied to many bandwidth allocation methods already proposed in literature. Simulation results show that for a given set of flows, the proposed scheme requires smaller bandwidth than the conventional methods, and it also guarantees both the PLR and delay requirements.
Second, a new scheduling scheme, called earliest-virtual-deadline-first (EVDF), is proposed to improve resource utilization in a high-speed packet network. The proposed EVDF scheduling is a generalized form of the earliest-deadline-first (EDF) scheduling, using the concept of virtual delay bounds. It gives us the flexibility of controlling the delay violation probabilities of traffic flows. As a result, the EVDF scheduler can provide the flows with the QoS guarantees that cannot be supported by the EDF scheduler. An iterative algorithm is developed to obtain the virtual delay bounds that achieve ideal service fairness while satisfying the QoS requirements of the flows. The EVDF scheduler utilizes network resources more efficiently than the EDF scheduler.
Finally, two downlink schedulers are proposed for cellular FDMA/TDMA wireless networks. The proposed throughput-maximizing (TM) scheduler focuses on maximizing throughput of best-effort service users while providing QoS assurance for guaranteed service users. On the other hand, the proposed proportional fair (PF) scheduler provides proportional fairness for the best-effort service users while guaranteeing the QoS requirements of the guaranteed service users. It also achieves throughput gain of the best-effort service users by incorporating the channel qualities of the best-effort service users into the scheduling problem, compared to the conventional one. Furthermore, the PF scheduler is approximated to a simpler one so that it can be directly applied for the real system.
이 논문에서는 패킷 망에서 서비스 품질을 보장하면서 망 효율화를 높이는 망 자원 할당 문제와 스케줄링 방식을 제안하였다.
첫째, 패킷 망에서 망 효율화 측면에서 최적의 대역폭 및 버퍼를 할당하는 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 서로 다른 서비스 품질을 요구하는 다양한 종류의 트래픽 환경에서 패킷 손실률과 패킷 지연 요구사항을 만족하면서 망의 효율성을 높였다. 특히, 제안된 최적의 버퍼를 구하는 문제는 특정한 대역폭 계산 방식에 제한을 두지 않고 기존의 다양한 대역폭 계산 방식에 적용될 수 있다. 실험 결과, 제안된 방식은 기존의 방식과 비교하여 적은 대역폭으로 각 사용자가 요구되는 서비스 품질을 만족함을 볼 수 있었다.
둘째, 고속 패킷 망에서 서비스 품질을 보장하면서 트래픽 수용성을 향상시키는 새로운 스케줄링 방식을 제안하였다. 먼저 제안된 스케줄링 방식의 지연 위반 확률에 대한 상위 한계 값을 구하였으며, 이로부터 기존 방식과의 성능을 비교 분석하였다. 제안된 방식은 각 트래픽 클래스의 지연 위반 확률을 제어할 수 있어서 다양한 서비스 품질을 요구하는 환경에서 각 클래스 마다 꼭 필요한 양의 서비스만을 제공함으로써 전체적인 망 자원의 낭비를 줄였다. 제안된 스케줄링 방식에서는 가상의 지연 한계 값을 정의하는데, 각 클래스마다 서비스 품질을 만족시킴과 동시에 공정한 서비스를 제공하도록 하는 가상의 지연 한계 값을 구하는 알고리즘도 제안하였다. 실험 결과, 제안된 방식은 기존의 방식보다 더 많은 양의 트래픽을 서비스할 수 있음을 보였다.
셋째, 주파수 분할 다중 접속 및 시 분할 다중 접속이 혼재된 무선 패킷 망의 순방향 스케줄링 알고리즘을 두 가지 제안하였다. 하나는 실시간 서비스 사용자의 서비스 품질을 만족시키면서 비 실시간 서비스 사용자의 전체 수율을 극대화 하는 스케줄링 알고리즘이며, 다른 하나는 실시간 서비스 사용자의 서비스 품질을 만족시키면서 비 실시간 서비스 사용자의 공정한 서비스를 보장하는 스케줄링 알고리즘이다. 두 스케줄링 알고리즘 모두 비 실시간 서비스 사용자들의 채널 특성을 실시간 서비스 사용자를 위한 스케줄링에 고려함으로써 주어진 무선 채널에서 전체 데이터 수율을 증가시켰다. 특히, 복잡도가 큰 두 번째 스케줄링 알고리즘으로부터 본래의 성능을 유지하면서 실제 시스템에 바로 적용될 수 있는 단순화된 알고리즘을 유도하였다.