Quality of service (QoS) support in wireless networks is becoming more and more important in recent years. In this thesis, we discuss the service differentiation and QoS support in wireless networks, specially in the most popular two technologies: IEEE 802.11 based wireless fidelity (WiFi) and IEEE 802.16 based worldwide interoperability for microwave access (WiMAX).
Enhancing the IEEE 802.11 protocol, the IEEE 802.11e standard has been designed to overcome the QoS problem in wireless local area networks (WLAN). Many performance analysis researches for IEEE 802.11e assume that the network is saturated. However, the saturation assumption is not always valid in real IEEE 802.11 networks. In this thesis, we introduce a new analytical model for IEEE 802.11e enhanced distributed channel access (EDCA) under the non-saturation and saturation conditions. The model captures all major QoS features of EDCA, including the number of access categories, contention window sizes, arbitration interframe spaces, and virtual collisions. Using the model, we derive the performance analysis for the throughput and average delay for all service classes. The model shows how the traffic loads affect the overall performance of service classes and improves the understanding of EDCA. Simulation results show that our model is more accurate than that of previous works. Extending the model, we introduce a parameter control algorithm which dynamically assigns the QoS parameters to achieve desired throughput ratio. Admission control and rate control (ARC) algorithms are also proposed to decide whether a new flow can be accepted or rejected and to prevent the starvation based on the QoS of current flows. Throughput and/or delay-based ARC algorithms are proposed and the algorithms control admissions of the highest priority class and control rates of lower priority classes.
To support the QoS in IEEE 802.16 network, we propose a QoS architecture which consists of classifier, admission controller, scheduler, resource allocator, and physical layer. In the proposed architecture, we focus on the resource allocator and fairness scheduler. Based on the traffic characteristics of each class, we divide the QoS classes into two groups and propose resource allocation algorithms. The first group requires the minimum transmission rate and the second group does not require. Using the Lagrangian relaxation method, we propose an iterative resource allocation algorithm and also propose a suboptimal algorithm to reduce the computational complexity of the iterative algorithm. The proposed algorithms maximize the total transmission rate while guaranteeing the QoS requirements. The algorithms outperform the traditional static resource allocation algorithms and reduce the service outages. To prevent the service starvation to users who have bad channel conditions, we introduce a scheduling algorithm which achieves the fairness among users. Using the transmission reports from the resource allocator, the scheduler controls the maximum transmission rate in order to achieve the fairness.
The performance analysis and proposed algorithms in this thesis will be helpful for network designers to achieve a more successful deployment of the wireless networks. We validate the accuracy and advantages of our approaches through analytic models and extensive simulations, and the results show that our approaches improve the performance for QoS support in wireless networks.
최근들어 멀티미디어 서비스에 대한 사용자의 요구가 늘어나면서 무선 네트워크에서 QoS (quality of service: 서비스 품질)를 제공하는 것이 점점 더 중요한 문제가 되고 있다. 본 논문에서는 무선 네트워크에서의 서비스 차등화 및 QoS 제공에 대해 연구하였다. 특히 근래에 가장 주목받고 있는 기술인 IEEE 802.11 기반의 WiFi (wireless fidelity)와 IEEE 802.16 기반의 WiMAX (worldwide interoperability for microwave access)에서의 QoS 제공에 대해 중점적으로 연구를 진행하였다.
IEEE 표준화 단체는 무선랜 (WLAN: wireless local area network) 환경에서의 QoS 문제를 극복하기 위하여 IEEE 802.11 표준을 강화한 IEEE 802.11e 표준을 제정하였다. IEEE 802.11e의 성능분석을 위한 많은 연구들이 있었지만, 대부분의 연구는 실제 네트워크의 환경과는 맞지 않은 saturated condition을 가정하였다. 본 논문에서 우리는 IEEE 802.11e EDCA (enhanced distributed channel access: 경쟁기반 채널 접근 방법)의 성능분석을 non-saturation과 saturation condition 모두에 적용할 수 있는 새로운 Markov chain 모델을 제안하였다. 새롭게 제시된 모델은 EDCA의 중요한 QoS parameter인 서비스 클래스 개수, window size, arbitration interframe space (AIFS)를 모두 포함하였다. 제안한 모델을 기반으로 모든 서비스 클래스의 throughput 및 delay에 대한 성능분석을 하였다. 성능분석 결과 네트워크에 존재하는 트래픽의 양이 각 클래스의 성능에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. NS-2 네트워크 시뮬에이션을 통해 우리가 새롭게 제시한 성능분석 모델이 기존에 제시된 모델보다 더 정확하다는 것을 알 수 있었다. 제시한 모델을 확장하여 각 서비스 클래스 간에 원하는 throughput 비율을 얻을 수 있도록 하는 QoS 파라미터 제어 알고리즘을 제안하였다. 파라미터 제어 알고리즘은 throughput 비율을 얻을 수 있도록 동적으로 window size와 AIFS 값을 변경한다. 또한 QoS를 보다 효율적으로 제공하기 위한 admission 제어 및 rate 제어 알고리즘 (ARC)을 제시 하였다. ARC로 throughput 기반, delay 기반, throughput/delay 기반의 세 가지 알고리즘을 제시하였으며, 가장 우선순위가 높은 클래스에는 admission 제어를 나머지 클래스에는 rate제어를 적용하였다. ARC는 네트워크 상의 traffic 양을 조절하여 QoS를 향상시킨다.
IEEE 802.16 네트워크에서 QoS 제공을 돕기 위해서 classifier, admission controller, scheduler, resource allocator, physical layer로 구성된 QoS architecture를 제시하였다. 제시된 구성요소 중에서 본 논문에서는 resource allocator와 fairness 보장을 위한 scheduler에 초점을 맞추었다. IEEE 802.16 표준에서 정의하고 있는 QoS 클래스의 특징을 반영하고 전체클래스를 두개의 그룹으로 구분하여 resource allocation을 수행하였다. 두개의 그룹 중에서 첫 번째 그룹은 minimum rate를 요구하며 두 번째 그룹은 요구하지 않는다. Lagrangian relaxation 방법을 적용하여 iterative resource allocation 알고리즘을 제시하였으며, 또한 iterative resource allocation의 복잡도를 줄이기 위한 suboptimal resource allocation 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 첫 번째 그룹에서 원하는 minimum rate를 만족시켜 주면서 두 번째 그룹의 rate를 최대화 한다. 제시한 resource allocation 알고리즘이 기존에 사용되었던 static 알고리즘보다 성능이 우수함을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. 채널이 좋지 않은 사용자에게 발생할 수 있는 service starvation을 막기 위해서 fairness를 보장하기 위한 스케쥴링 알고리즘을 제안하였다. 스케쥴링 알고리즘은 resource allocator로 부터 실제로 전송된 rate 정보를 보고 받아서 다음에 보낼 양을 조절함으로써 fairness를 보장한다.
본 논문에서 제시한 성능분석 방법과 다양한 알고리즘들은 무선네트워크에 QoS를 적용하는데 있어서 많은 도움을 줄 것이다. 우리는 제시한 성능분석 모델과 알고리즘의 정확성 및 우수성을 다양한 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 시뮬레이션 결과 본 논문의 연구가 무선 네트워크에서의 서비스 차등화 및 QoS 제공을 위한 성능을 향상시키는 것을 알 수 있었다.
