IEEE 802.16 WMAN technology has been proposed to overcome the drawbacks of WLANs and cellular networks. It has been paid wide attention since it covers much larger area than WLAN while supporting high transmission rate. Besides, it provides various QoS scheduling for supporting heterogeneous traffic including legacy voice traffic, VoIP (Voice over IP), multimedia streams and the Internet data traffic. In IEEE 802.16 networks, a bandwidth request-grant mechanism is used to accommodate various QoS requirements of heterogeneous traffic. When a subscriber station (SS) wants to send data, it first needs to send a bandwidth request message to the corresponding base station (BS). Upon receiving the request, the BS grants an appropriate amount of bandwidth to the SS based on an uplink scheduling scheme. There are four service classes defined based on their bandwidth request-grant mechanisms as follows: unsolicited grant service (UGS), real-time polling service (rtPS), non-real-time polling service (nrtPS), and best-effort (BE) service.
Among those four service classes, it is expected that the BE class will be the first one to be serviced due to the following practical reasons: (a) Implementation overhead is too high whereas there is no currently available such service that requires the QoS; and (b) Even if the access network supports the QoS, end-to-end QoS support is not supported eventually since the Internet does not provide any QoS scheme currently. WiBro service in South Korea, which is the first commercial service of IEEE 802.16, supports BE class only at this time.
The objective of this thesis is to present comprehensive performance analysis of BE traffic in IEEE 802.16 networks. There have been several studies on performance of IEEE 802.16 networks, but they mostly focus on the physical layer and the overall MAC protocol. In the first part of this thesis, we focus on performance of BE traffic associated with more specific scheduling schemes based on request. Since BE traffic does not have any specific delay or bandwidth requirements, high utilization and fair bandwidth sharing are the major concerns of BE scheduling. We propose two bandwidth allocation schemes for accomplish them. They are practical and conforming the IEEE 802.16 standard. Through performance evaluation of them, we observe behaviors of BE traffic in IEEE 802.16 networks.
During we perform the analysis in the above, we have observed that the request-grant mechanism may cause unnecessary cost for BE TCP traffic in the sense that (a) it needs additional uplink bandwidth for request. As the number of connections in a network increases, the amount of bandwidth for request also increases to resolve request collision; (b) it may also increase latency due to repeated request collision when the bandwidth for request is not enough; and (c) it is hard for each SS to estimate the amount of bandwidth required for its TCP connection due to dynamic changes of the sending rate. To avoid those complexities, in WiBro service, bandwidth is equally assigned to each BE connection with round-robin fashion without the request process. However, a fixed amount of bandwidth allocation may cause bandwidth wastage due to TCPs variable sending rate.
In the second part of this thesis, we propose a scheduling scheme for BE TCP traffic without the bandwidth request process. The proposed scheme does not need any bandwidth request for grant. Instead, it measures the sending rate of each flow and allocates bandwidth based on the measured sending rate. The objective of the proposed scheme is to realize the max-min fairness while maintaining high link utilization. Through the comparison with the schemes based on bandwidth request, we observe the impact of the bandwidth request and grant mechanism on BE traffic.
In the last part of this thesis, we extend the proposed schemes in the first and the second parts for nrtPS class. According to the standard, nrtPS class is basically the same as BE except that it can have more chances to transmit the bandwidth request through individual pollings. In this part, we show that our schemes for BE class can be easily extended for nrtPS class.
This thesis makes the following significant contributions: (a) It proposes a set of bandwidth request and grant schemes for BE traffic. They are practical and conform the standard of IEEE 802.16; (b) It presents a comprehensive analysis of BE traffic in IEEE 802.16 networks which employs the proposed schemes. We first analyze performance of them through deriving simple quantitative models, and then perform extensive simulations; (c) It proposes a novel scheme for bandwidth allocation without request. To the best of our knowledge, it is the first attempt to allocate bandwidth without request in IEEE 802.16 networks; (d) It also shows that the proposed schemes for BE class can be easily extended for nrtPS class; and finally (e) It presents a realistic method for simulating IEEE 802.16 networks using ns-2.
IEEE 802.16 WMAN 기술은 WLAN과 cellular 네트워크의 단점을 해결하기 위해 제안되었다. 이 기술은 WLAN보다 전송거리가 더 길고 전송속도도 빨라서 많은 주목을 받아왔다. 또한, 기존 음성 통신, VoIP(Voice over IP), 멀티미디어 스트림들과 인터넷 데이터 트래픽 등의 다양한 트래픽을 지원하기 위하여 다양한 QoS 서비스도 제공한다. IEEE 802.16 네트워크에서는, 여러 가지 traffic들의 다양한 QoS 요구사항을 수용하기 위해 대역폭 요청-승인 기법(bandwidth request-grant mechanism)이 사용된다. 단말기(SS: Subscribe Station)가 데이터를 보내려면, 먼저 기지국(BS: Base Station)에 대역폭 요청 메시지(bandwidth request message)를 보내야 한다. 이 요청을 받으면, 기지국은 자신의 상향링크 스케줄링 기법에 따라 단말기에게 적절한 양의 대역폭을 승인(grant)해 준다. 대역폭 요청-승인 방식의 차이에 따라 unsolicited grant service(UGS), real-time polling service(rtPS), non-real-time polling service(nrtPS), 그리고 best-effort service(BE)의 네 가지 서비스 클래스가 정의되어 있다.
이들 네가지 서비스 클래스 중에서, BE 클래스는 제일 먼저 상용서비스를 받을 것으로 보인다. 이는, (1)다른 서비스들은 구현하기 복잡하고 현재는 높은 수준의 QoS를 요구하는 응용 서비스들이 없으며, (2)설사 액세스 네트워크가 QoS를 지원한다고 할지라도 현재의 인터넷이 어떠한 QoS 서비스도 제공하지 못하기 때문에 end-to-end QoS는 제공되지 못하기 때문이다. 최초의 IEEE 802.16 상용 서비스인 대한민국의 와이브로(WiBro) 서비스는 현재 BE 클래스만 지원한다.
이 논문의 목적은 IEEE 802.16 네트워크에서 BE 트래픽의 성능을 분석하는 것이다. 기존에 IEEE 802.16 네트워크의 성능에 대한 연구들이 있었으나, 대부분이 물리 계층이나 MAC 프로토콜 전반에 관한 것이었다. 논문의 첫 부분에서는, 좀 더 세부적인 대역폭 요청 기반 스케줄링 기법과 관련된 BE 트래픽의 성능을 집중하여 분석한다. BE 트래픽은 어떤 지연시간이나 대역폭에 관한 요구사항도 없기 때문에, 높은 대역폭 사용률(utilization)과 공정한 대역폭 공유사용(fair bandwidth sharing)이 BE 스케줄링의 중요한 요소이다. 이 둘을 달성하기 위해 먼저 요청 기반 대역폭 할당 기법을 제안한다. 이 요청 기반 스케줄링 기법은 실용적이며 IEEE 802.16 표준안을 따른다. 이들의 성능평가를 통해 IEEE 802.16 네트워크에서의 BE 트래픽의 성능을 보였다.
위의 대역폭 요청 기반 스케줄링 기법을 분석하면서, 요청-승인 기법을 사용하면 BE 트래픽이 불필요하게 자원을 낭비할 수도 있다는 것을 보았다. 네트워크 내의 컨넥션 수가 많아지면 요청 메시지의 충돌도 많아지고, 이 충돌을 해결하기 위해 요청용 대역폭의 양이 늘게 되어 대역폭 요청용으로 추가의 상향링크 대역폭이 필요할 수도 있기 때문이다. 그리고, 요청용 대역폭이 충분치 못할 때는 반복된 요청 충돌로 인해 지연시간이 길어질 수도 있다. 또한, TCP 트래픽은 시간에 따라 전송속도를 급격히 변화시키기 때문에 단말기가 자신의 TCP 컨넥션이 필요로 하는 대역폭의 양을 추정하기도 어렵기 때문이다. 이런 문제점을 방지하기 위해, 와이브로 서비스에서는 요청 없이 각 BE 컨넥션에 round-robin 방식으로 같은 양의 대역폭을 할당한다. 그러나, 고정된 양의 대역폭을 할당하는 방식은 가변적인 TCP의 전송속도에 적절히 반응하지 못해 대역폭을 낭비할 수 있다.
논문의 두 번째 부분에서는, 대역폭 요청과정이 없는 BE TCP 트래픽을 위한 스케줄링 기법을 제안한다. 제안된 기법은 어떠한 대역폭 요청 메시지도 필요가 없다. 대신, 각 플로우들의 전송속도를 측정하여, 이 측정된 전송속도를 기반으로 대역폭을 할당한다. 제안된 기법의 목적은 max-min fairness를 실현함과 동시에 사용률도 높게 유지하는 것이다. 대역폭 요청 기반 기법들과 비교를 통하여, 대역폭 요청과 승인 기법이 BE 트래픽에 미치는 영향을 살펴본다.
BE 트래픽을 서비스하는 서비스 클래스로는 nrtPS 클래스도 있다. nrtPS 클래스는 BE 클래스보다 대역폭 요청 기회를 더 가짐으로써 더 나은 서비스를 받는다. 이 논문에서는 위의 요청기반 기법과 요청이 필요없는 기법 모두가 nrtPS 클래스를 위한 확장이 쉽게 됨을 보였다.
이 논문은 다음과 같은 점에서 중요한 기여를 한다. (1) 실용적이면서 IEEE 802.16 표준을 따르는 BE 트래픽을 위한 대역폭 요청과 승인 기법들을 제시한다. (2) 제안된 기법을 사용한 IEEE 802.16 네트워크에서 BE 트래픽의 종합적인 성능분석을 보여준다. 먼저 간단한 정량적 모델을 유도해 냄으로써 이론적 분석을 하였고, 많은 시뮬레이션을 행하였다. (3) 요청과정 없이 대역폭을 할당하는 새로운 기법을 제안하였다. IEEE 802.16 네트워크에서 요청과정 없이 대역폭을 할당하는 첫 시도인 것으로 보인다. (4) 두 기법 모두를 nrtPS 클래스도 지원할 수 있도록 확장한다. 두 기법 모두 간단히 확장 가능하며, nrtPS 클래스에 차별화된 서비스를 제공할 수 있다. (5) 그리고 ns-2를 사용하여 IEEE 802.16 네트워크를 시뮬레이션하는 방법을 제시한다.
