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Efficient bandwidth allocation for QoS guarantee in multimedia networks = 멀티미디어 네트워크에서의 서비스 품질 보장을 위한 효율적인 대역폭 할당 방법
서명 / 저자 Efficient bandwidth allocation for QoS guarantee in multimedia networks = 멀티미디어 네트워크에서의 서비스 품질 보장을 위한 효율적인 대역폭 할당 방법 / Bong-Joo Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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As the demand for new wireless services has been explosively increasing, it is expected to support various multimedia applications with guaranteeing Quality of Service (QoS). Different multimedia applications have different traffic characteristics, and accordingly have different QoS requirements. For example, real-time multimedia applications such as voice-over-Internet protocol (VoIP) are delay sensitive. So, these applications can tolerate some packet losses, but have stringent delay constraints. Accordingly, for these applications, it is important not to suffer from excessive delay and contention with other applications for QoS guarantee. On the other hand, non-real-time multimedia applications, such as e-mail and data file, can tolerate a little delay but required reliable packet transmission without loss. So, for these applications it is important to guarantee reliable packet transmission. Therefore, providing QoS guarantee which is appropriate to traffic characteristics has been considered as a challenging issue for multimedia applications. In order to guarantee QoS requirements of the service traffic, it is crucial to know that how much bandwidth should be allocated for the service traffic. In addition, if we can estimate the pertinent amount of bandwidth and predict the performance, we can utilize the limited network bandwidth more efficiently. Therefore, in this dissertation, we investigate efficient bandwidth allocation methods to satisfy QoS requirements for the three kinds of service traffic, long-range dependence (LRD) traffic, video telephony service traffic, and voice-over-Internet protocol (VoIP) service traffic, which have drawn attention as the essential multimedia applications. For a LRD traffic, we propose a new method to adaptively allocate bandwidth according to the amount of input traffic volume. In the proposed method, we divide the input process into two sub-processes, a long time scale process and a short time scale process. For a short time scale process, we estimate the effective bandwidth based on the QoS requirement by using the large deviation theory. On the other hand, since a long time scale process varies (relatively) slowly, we estimate the required bandwidth using the minimum mean square error (MMSE) linear prediction. By doing this, we can capture the short time scale fluctuation by a buffer and the long time scale fluctuation by increasing or decreasing the bandwidth adaptively. Next, we focus on a mathematical method to estimate the required bandwidth to satisfy a given QoS requirement for the video telephony service traffic. We first analyze the stochastic characteristics of the measured video telephony service traffic which is obtained by measuring in an actual network. Then, we propose a mathematical model based on the analyzed stochastic characteristics. From our analysis, a voice traffic can be modelled by a renewal process with deterministic inter-arrival times and fixed packet size. On the other hand, a video traffic is modelled by a fluid flow model with on and off periods, where on and off periods are according to gamma distributions with respective parameters. With our mathematical model and the fluid flow analysis, we then develop a simple and efficient bandwidth allocation method to satisfy a given QoS requirement for the video telephony service traffic. For VoIP service traffic, we analyze the extended real-time polling service (ertPS) algorithm in IEEE 802.16e systems using a two-dimensional Markov chain, where the grant size and the voice packet state are considered. Then, we derive an approximation formula for the total throughput in the ertPS algorithm based on our analysis. Next, to improve the performance of the ertPS algorithm, we propose an enhanced uplink resource allocation algorithm, called the $e^2 rtPS$ algorithm, for VoIP services in IEEE 802.16e system. The $e^2 rtPS$ algorithm considers the queue status information and tries to alleviate the queue congestion as soon as possible by using remaining network resources. Therefore, it improves the total throughput of the system and decreases transmission delay of a VoIP packet without changing the current IEEE 802.16e standard.

최근, 다양한 종류의 멀티미디어 애플리케이션에 대한 수요가 늘어남에 따라 그러한 멀티미디어 서비스 품질 (QoS) 보장에 대한 기대도 커지고 있다. 멀티미디어 서비스는 다양한 트래픽 특성을 가지고 있으며, 서비스 품질에 대한 요구 사항들 또한 다양하다. 예를 들어, 이메일이나 데이터 파일 전송과 같은 비실시간 (non real-time) 서비스 트래픽인 경우에는 약간의 지연이 있더라도, 데이터의 손실없이 확실하게 전송해 주는 것이 서비스 품질 측면에서 중요하다. 반면에, 음성 서비스와 같이 실시간 (real-time) 서비스 트래픽인 경우에는 지연에 대해 매우 민감하기 때문에, 지연에 따라 급격한 서비스 품질의 저하가 생기게 되므로, 지연이 생기지 않도록 서비스 해주는 것이 중요할 것이다. 이렇듯, 다양한 멀티미디어 애플리케이션에 대하여 각각의 트래픽 특성에 맞는 서비스 품질을 보장해 주는 문제는 중요한 이슈라 할 수 있다. 트래픽의 서비스 품질을 보장하기 위해서는, 해당 서비스 트래픽을 위해 얼마만큼의 대역폭이 할당되어야 하는지 예측하는 것이 매우 중요하다. 또한, 우리가 필요한 대역폭의 양을 정확하게 측정 가능하고 이에 따른 네크워크 성능을 예측할 수 있다면, 제한되어 있는 네트워크 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있을 것이다. 그러므로, 이 논문에서 우리는 중요한 멀티미디어 애플리케이션으로서 주목을 받고 있는 long-range dependence (LRD) 트래픽, 영상전화 서비스 트래픽, 그리고 VoIP (voice-over-Internet protocol) 서비스 트래픽에 대하여, 서비스 품질을 보장할 수 있는 효율적인 대역폭 할당 방법에 대해 연구하고자 한다. 첫째, LRD 트래픽의 경우, 버스트한 트래픽 특성 때문에 충분한 양의 대역폭을 일정하게 계속 할당하게 되면 할당된 대역폭을 효율적으로 사용하지 못하게 될 것이다. 그러므로, 우리는 LRD 트래픽에 대하여 유입되는 트래픽 양에 따라 대역폭의 양을 조절해 가며 할당할 수 있는 새로운 방법을 제안한다. 먼저 유입되는 트래픽 프로세스를 time scale 에 따라 두 개의 프로세스 즉, long time scale 프로세스와 short time scale 프로세스로 나누어, 두 프로세스에 대해 각각 다른 방식으로 대역폭을 할당해 준다. Short time scale 프로세스의 경우 Markov 프로세스로 모델링 할 수 있으므로, 주어진 서비스 품질 요구 사항에 맞는 effective bandwidth를 계산하고, 그 양을 short time scale 프로세스를 위한 대역폭으로 일정하게 할당해 준다. 반면, long time scale 프로세스에 대해서는 선형 예측 방법을 이용하여 필요한 대역폭을 주기적으로 측정함으로써, 트래픽 양에 따라 할당되는 대역폭 양을 조절한다. 둘째, 우리는 실제 네트워크망에서 서비스 되고 있는 영상전화 서비스 트래픽에 대하여 서비스 품질을 보장할 수 있는 대역폭 할당 방법에 대해 연구한다. 그러기 위하여, 먼저 실측된 영상전화 트래픽의 확률적 특성을 분석하고, 적절한 수학적 모델링을 도출해 낸다. 영상전화 트래픽의 특성을 분석한 결과, 음성 트래픽은 고정된 크기 (214 바이트)의 패킷이 일정한 inter-arrival time (20 ms)마다 발생하는 renewal process로 모델링 할 수 있는 것으로 확인되었다. 반면에, 영상 트래픽의 경우는 패킷이 버스티하게 발생되는 on 구간과 패킷이 발생되지 않는 off 구간을 갖는 on/off source 형태를 보이며, on 구간과 off 구간 모두 감마 분포를 따르는 것으로 확인되었다. 우리는 이러한 on/off 구간의 감마분포를 정수의 파라미터를 갖는 감마분포로 근사화 함으로써, 영상 트래픽을 on/off 구간을 번갈아 갖는 flow flow model로 모델링 할 수 있다. 이러한 수학적 모델을 기반으로 fluid flow analysis를 적용함으로써, 영상 트래픽의 서비스 품질을 보장할 수 있는 대역폭 양을 효과적으로 측정해 낼 수 있다. 마지막으로, 우리는 IEEE 802.16e 시스템 기반에서 VoIP 서비스 트래픽을 효율적으로 지원할수 있는 스케쥴링 방식인 ertPS (extended real-time polling service) 스케쥴링 알고리즘의 수학적 모델을 제시한다. 본 논문에서는 한 단말 (subscriber station)이 기지국 (base station)으로 부터 할당받은 grant 크기(리소스의 양)와 해당 단말의 큐 HOL (head of line)에 있는 음성 패킷의 상태 정보를 고려하여 2차 DTMC (discrete-time Markov chain)을 만들고, 이를 이용하여 ertPS 스케쥴링 알고리즘의 총 처리양 (total throughput)에 대한 근사 공식을 유도해 낸다. 또한, 이 논문에서는 단말의 큐 정보를 기지국에게 알리게 되고, 이 정보에 의해 남는 네트워크 자원을 기지국으로부터 추가적으로 할당받을 수 있게 함으로써, 기존의 ertPS 알고리즘의 성능을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 제안하고 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMA 09008
형태사항 viii, 80 p. : 삽화 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김봉주
지도교수의 영문표기 : Gang-Uk Hwang
지도교수의 한글표기 : 황강욱
Includes appendix
수록잡지정보 : "Adaptive Bandwidth Allocation Method for Long Range Dependence Traffic". Lecture Notes in Computer Science (LNCS), 2006 Oct., pp. 13-24
수록잡지정보 : "Traffic Modelling and Bandwidth Allocation Algorithm for Video Telephony Service Traffic". Journal of Industrial and Management Optimization (JIMO),
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 수리과학과,
서지주기 References : p. 76-80
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