To effectively utilize limited wireless resources and to provide smooth wireless and mobile communication services, this dissertation develops a TCP enhancement framework and an effective video multicast scheme over next-generation wireless communication systems.
We present a Feedback Delay Aware TCP Enhancement Framework (FDA-TEF) to improve TCP performance over rate/delay varying wireless networks by minimizing the number of buffer over/under flows. In the absence of window regulation, TCP keeps increasing its congestion window (CWND) to its maximum size until packet drops occur, which results in burst packet drops in bottleneck devices, causing significant throughput degradation. For this reason, several previous studies have proposed TCP rate control schemes that regulate the TCP source’s CWND to stabilize the flow’s queue length around the target threshold in the bottleneck device. However, the property of frequent rate-and-delay variations in wireless networks makes it difficult to calculate a proper CWND size, and large feedback delays in wired networks cause time inconsistency in the feedback information. In addition, since the previous studies allocated the same buffer size to all flows regardless of each flow’s feedback delay, flows having a large feedback delay suffered more buffer over/under flows due to a large queue oscillation. On the other hand, flows having small feedback delays suffered unnecessarily large queuing delays due to the needlessly large queue length. The proposed framework has two main distinct features: (1) It estimates the future input and output rates based on feedback delay estimation for each flow to calculate a more precise feedback window size even when large feedback delays exist, and (2) It allocates a dynamic buffer size and target queue threshold to each flow to take advantage of the feedback delay diversity. This dynamic buffer allocation guarantees acceptable short delays and throughput fairness. Extensive simulation results show that the FDA-TEF outperforms existing schemes in throughput, end-to-end delay, and fairness for various traffic scenarios.
In this dissertation, we also address the effective video multicast problem for video streaming services using scalable video coding (SVC) in TDMA based wireless mesh networks, especially in which each user has its own video quality demand. Generally, it has been presumed that all multicast members should receive identical data from the multicast source node. However, different relay nodes in the same multicast tree may be allocated different transmission rates by utilizing the scalable video coding in video multicast. Considering this distinguishing characteristic of video multicast, the proposed multicast framework provides effective multicast routing, scheduling, and rate allocation algorithms. The purpose of the multicast routing and scheduling algorithm is to make a minimum length schedule that satisfies given quality demands. Then, if the schedule is not feasible even with its minimum length due to the limited number of time slots in the network, the rate allocation algorithm adjust the allocated transmission rates of relay nodes to produce a feasible schedule while maximizing the minimum utility of multicast receivers. The simulation results confirm that the proposed multicast routing and scheduling algorithms outperform existing schemes in terms of the schedule length, and the minimum utility is improved up to 30% by the proposed rate allocation algorithm compared to the case that all relay nodes are allocated the same transmission rates.
본 논문에서는 제한적인 무선네트워크의 자원을 효율적으로 활용하여 모바일 서비스를 원활하게 제공하기 위해 무선네트워크에서의 TCP 성능개선을 위한 프레임워크와 무선메시네트워크에서의 효과적인 비디오 멀티캐스팅 기법을 제안한다.
먼저 데이터 전송률과 지연시간이 가변적인 무선네트워크에서 버퍼 오버플로우와 언더플로우를 최소화 하여 TCP 성능을 향상시키기 위한 피드백 지연 인지 TCP 성능개선 프레임워크 (FDA-TEF: Feedback Delay Aware TCP Enhancement Framework) 를 제안한다. 기존의 몇 가지 연구에서는 플로우의 병목지점이 되는 디바이스에서 TCP 소스의 윈도우 사이즈를 규제하여 소스의 데이터 전송률을 조정하는 방법으로 플로우의 큐길이를 목표 길이로 안정되게 유지시키기 위한 기법을 제안하였다. 하지만, 기존의 기법들에서는 산출된 윈도우 사이즈에 대한 피드백 지연시간 길어질수록 산출시간과 적용시간간의 불일치가 발생하게 되며 모든 플로우들에게 피드백 지연시간과 관련 없이 동일한 크기의 버퍼를 할당함으로 인하여 긴 피드백 지연시간을 갖는 플로우는 무선 구간 데이터 전송률의 변화로 인한 큐의 진동 (oscillation) 이 커져 더 많은 버퍼 오버플로우와 언더플로우를 겪게 된다. 반대로, 짧은 피드백 지연시간을 갖는 플로우는 불필요하게 큰 버퍼를 갖는 경우 큐 대기시간이 길어지게 되는 단점을 갖는다. 본 논문에서 제안하는 프레임워크는 기존의 연구들과 비교하여 다음과 같은 장점을 갖는다: (1) 피드백 지연시간이 긴 경우에도 피드백 딜레이 추정치를 통한 향후 트래픽에 대한 예측값을 바탕으로 하여 보다 정확한 윈도우 사이즈를 산출한다. (2) 각 플로우별로 피드백 지연시간이 다르다는 것을 활용하여 플로우별로 환경에 따라 동적으로 버퍼 사이즈와 목표 큐길이를 설정한다. 이를 통해 수용할 수 있을 정도의 짧은 지연 시간과 플로우 간의 전송률에 대한 형평성을 보장 한다. 시뮬레이션을 통해 다양한 트래픽 환경에서 제안된 프레임 워크가 기존의 연구들보다 데이터 처리율, 단대단 지연시간, 형평성 등의 측면에서 뛰어난 성능을 보여주고 있음을 확인하고 있다.
두번째로는 TDMA 기반 무선메시네트워크에서의 각각의 사용자가 개별적인 비디오 화질을 요구하는 경우에 대한 효과적인 비디오 멀티캐스트 프레임워크에 대한 연구를 진행한다. 일반적으로 멀티캐스트에서는 모든 릴레이 노드들이 동일한 데이터 레이트를 할당 받는 것으로 여겨지는 반면, scalable video coding (SVC) 을 이용하는 비디오 멀티캐스트의 경우에는 각 릴레이 노드 마다 다른 데이터 레이트를 할당 받아 릴레이 하는 비디오 스트림의 화질을 결정할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 비디오 멀티캐스트의 특성을 적용하여 멀티캐스트 라우팅, 스케쥴링 및 레이트 할당 알고리즘으로 구성된 효율적인 멀티캐스트 프레임워크를 제안한다. 먼저 주어진 요구사항을 만족하면서 스케쥴 길이를 최소화 할 수 있는 멀티캐스트 라우팅 및 스케쥴링 기법을 제안하고, 만약 이를 통해 생성된 최소의 길이를 갖는 스케쥴이 네트워크의 제한된 타임슬롯 수로 인하여 실행 불가능 한 경우에는 레이트 할당 알고리즘을 통하여 각각의 멀티캐스트 릴레이 노드에게 할당된 타임슬롯 수를 조정한다. 이 레이트 할당 알고리즘의 목적은 네트워크가 제공하는 제한된 수의 타임슬롯을 사용하여 멀티캐스트 가입자중 효용이 가장 낮은 가입자의 효용을 최대화 하는 최대-최소 (max-min) 문제의 최적해를 구하는 것이다. 여러 가지 실험을 통해서 제안된 멀티캐스트 라우팅 및 스케쥴링 기법이 기존의 멀티캐스트 라우팅이나 스케쥴링 기법에 비해 주어진 비디오 화질 요구사항에 대하여 보다 짧은 길이의 스케쥴을 생성하는 것을 보여준다. 또한, 각 릴레이 노드 사이의 스케쥴 우선순위가 정해진 경우 제안된 레이트 할당 알고리즘이 최적해를 도출함을 증명하고, 모든 릴레이 노드가 동일한 데이터 레이트를 할당 받는 경우에 비하여 최소 효용을 갖는 가입자의 효용이 최대 30% 까지 증가하는 것을 보여준다.
