In the recent decade, there has been a great proliferation of voice over IP (VoIP) services in both homes and offices [18]. The cost savings achieved by VoIP by using existing infrastructure networks and easy deployment benefits are the main reasons driving the consistent growth of VoIP. At the same time, VoIP over wireless local area network (WLAN) is also getting popular with wireless fidelity (Wi-Fi) enabled phones. Once VoIP over WLAN becomes widespread, most cell phone owner will migrate to using VoIP over WLAN inside the administrative boundaries of the enterprise buildings, campuses, public places. For providing VoIP service over wide area wireless coverage such as hotels, resorts, air ports and campuses, the deployment and maintenance of the wired backhaul required for connecting a large number of access points (APs) are fairly hard tasks, and IEEE 802.11-based multi-hop wireless mesh networks (WMNs) have been considered a practical solution for wide area coverage [20]. The benefits of WMN compared to wired LAN connecting APs are: i) better coverage; ii) ease of deployment and expansion; iii) robustness to node failures; iv) low cost of maintenance. Such WMNs have the great potential of creating an enterprise-scale or community-scale wireless backbone supporting multiple users while driving these users from using fixed phones to wireless VoIP phones. Also, WMNs can offload VoIP data traffic from the 3G network, so that both voice and data services perform optimally.
While the conventional wireless mesh networks provide flexible and convenient service to the clients, the capacity of the conventional WMN with single channel single radio can not scale up with the network size due to the co-channel interference [20]. To address this capacity limitation problem, a multi-channel multi-radio (MCMR) technique has been widely considered as an efficient approach to increase the wireless network capacity [21, 22, 23, 46, 24]. In [6], Kyasanur and Vaidya studied how the capacity of a multi-channel network scales as the number of nodes, channels, and radios increases. Their results imply that it is possible to build capacity-optimal multi-channel networks with a small number of radios per node. Also, they proposed hybrid multichannel protocol (HMCP) which uses two radios to communicate with its neighbor nodes by utilizing all available channels. HMCP improves the network capacity linearly as increasing the number of channels with only two radios per node [24, 6]. However, supporting delay sensitive realtime VoIP applications over high capacity MCMR WMNs is still a challenging problem. To support voice calls over the MCMR WMN with a good call quality, we must ensure that the capacity utilization at all nodes for voice calls is under the network capacity. This means that a call admission control (CAC) needs the accurate call capacity model to estimate the actual call capacity. Also, in the multi-hop MCMR WMN, there are many possiblities to allocate the route of the voice call, and the call capacity highly depends on how well the routes of voice calls are allocated. Thus, quality-of-service (QoS) route allocation algorithms are essential to satisfy QoS contraints as well as to improve the call capacity of the multi-hop MCMR WMN.
In this dissertation, we develop a call capacity model for HMCP in a multi-hop MCMR WMN. Based on our call capacity model, the feasibility of admission of a new arriving call with the given network configuration can be performed. We also propose QoS routing algorithms to allocate the route of a new arriving call within feasible regions. Objectives of our routing algorithms are to support more active calls and to reduce % calls rejected or dropped rate. We take account of link quality by carrier sense factor (csf), which characterizes interference and link quality. In addition to link quality consideration, we should consider the feasiblity of the capacity and current traffic load. Moreover, we can take account of extra useful information (i.e., call pattern statistics) to achieve better performance.
The major contributions of our work can be summarized as follows:
+We develop the voice call capacity model of HMCP with constant bit rate (CBR) and variable bit rate (VBR) traffic models on a multi-hop MCMR WMN to do call admission control. Also, we validate our call capacity model through NS-2 simulations [30] as well as testbed experiments under multi-hop scenarios. Our call capacity model estimates the call capacity within 5 % of the actual call capacity.
+We address the route computation problem to find a feasible route for a VoIP call with QoS constraints. We develop QoS routing algorithms with feasibity considerations. Extensive simulation results demonstrates that our algorithms increase the call acceptance rate by upto 35% compared to the shortest path routing algorithm.
+The QoS routing algorithm using call pattern statistic on an MCMR environment is developed. Based on the simulation results, this proposed routing algorithm provides upto 45% increase in call accetance rate compared to routing algorithms with only feasibility considerations.
With our call capacity model, and route computation algorithms, we can support VoIP service on emering multi-channel multi-radio WMNs. Our futher works can be the implementation of proposed route computation algorithms in our testbeds, and considerations of heterogeneous traffics (such as data, video, and voice).
무선 메쉬 네트워크는 기존의 유선을 통한 네트워크 형성이 아닌, 무선을 통해 네트워크를 형성함으로써, 쉬운 설치 및 적은 설치 비용과 그 확장성 (scalability) 더 나아가 네트워크 노드의 결함 (network node failure)으로 부터 안정적인 성능을 제공하는 기술이다. 이러한 특성과 장점 때문에 무선 메쉬 네트워크는 WiMax, WiFi, Sensor Network, 군통신처럼 여러 네트워크환경에 적용되고 있다. 본 논문에서는 그 중에서도 최근 스마트폰의 등장으로 급증에 따른 데이터 트래픽을 저렴한 가격으로 제공할 수 있을 뿐만 아니라 쉬운 설치 및 구현의 특징 때문에 하기 위해서 각광 받고 있는 IEEE 802.11 시스템 기반의 무선 메쉬 네트워크를 중점적으로 다루고 있다. IEEE 802.11 시스템 기반의 무선 메쉬 네트워크는 일반적으로 사용자로부터의 데이터를 유선망으로 전달하거나 유선망으로부터의 데이터를 사용자에게 전달하는 백본 (backbaul, backbone) 역할을 수행한다. 하지만 종래의 IEEE 802.11 시스템 기반의 무선 메쉬 네트워크처럼 하나의 채널과 하나의 라디오 (single channel single radio)를 가지고는 백본 역할을 수행할 만한 용량 (capacity)을 제공하기 힘들다. 이러한 용량 제한 문제 (capacity limitation problem)를 해결하고자 다 채널과 다중 라디오 (multi-channel multi-radio)를 가지고 무선 메쉬 네트워크를 형성하여 백본으로서의 역할을 다 할 수 있는 용량을 제공하는 기술이 제안 되었다. 이러한 기술의 핵심은 다 채널과 다중 라디오를 효율적으로 이용하는 방식이 구현된 다 채널 다중 라디오 프로토콜 (multi-channel multi-radio protocol)이다. 여러 다 채널 다중 라디오 프로토콜이 존재 하지만 하이브리드 멀티 채널 프로토콜 (hybrid multi-channel protocol)은 그 중에서 좋은 수율 (throughput) 성능을 보인다. 이러한 무선 메쉬 네트워크 기술의 등장과 함께, 국내에서만 VoIP사용자가 약600만 명에 육박할 만큼 VoIP서비스가 우리 생활에 가까이 다가왔다. 따라서 각 유/무선 통신회사 (Internet service provider)들은 저렴하고 쉬운 설치 그리고 확장성과 안정적인 성능을 특징 및 장점으로 갖는 무선 메쉬 네트워크를 통해서 VoIP서비스를 제공하기 기술에 대해서 큰 관심을 보이고 있다. 이는 비단 사업자뿐만이 아니라 국내외 대학이나 연구단체에서도 마찬가지이다.
본 학위 논문에서는 VoIP서비스를 다 채널 다중 라디오 무선 메쉬 네트워크 환경에서 제공 할 수 있도록 하기 위해 꼭 필요한 기술들에 대해서 다루고 있다. VoIP 서비스를제공하기위해서새롭게필요한기술은크게두가지가있다. 첫번째기술은 주어진 네트워크상황에서 추가적인 음성 호 (voice call)를 제공할 수 있는지 없는지를 검사하기 위한 정확한 음성 호 용량 (voice call capacity) 예측 기술 이다. 즉 정확한 음성 호 용량 모델 (voice call capacity model)이 필요하다는 것이다. 두 번째 기술은 이러한 정확한 음성 호 용량 모델을 기반으로 음성 호 (voice call)에 대한 경로를 어떻게 설정할지에 대한 경로 설정 기술 (routing algorithm) 이다. 본 학위 논문에서는 두 기술을 서로 밀접한 연관 관계를 가지고 다루고 있다. 먼저 본 학위 논문에서는 VoIP서비스를 제공하기 위한 첫 번째 필수 기술인 음성호 용량 모델 (voice call capacity model)을 제안하였다. 하이브리드 다채널 프로토콜 (hybrid multi-channel protocol)의 동작을 정확히 반영하는 음성 호 용량 모델 (voice call capacity model)은 다 채널 다중 라디오환경의 특성 역시 정확히 반영하도록 디자인 되었다. 뿐만 아니라 대표적인 음성 코덱 (voice codec)의 CBR (constant bit rate) 및 VBR (variable bit rate) 모드 (mode)를 모두 지원하도록 설계 되었다. 이러한 음성호 용량 모델 (voice call capacity model)은 테스트베드와 모의 실험를 통해서 그 예측 정확도가 약 5%이내 임을 보였다. 본 논문에서 제안된 음성 호 용량 모델 (voice call capacity model) 기술은 네트워크 플래닝 (network planning), 음성 호 수락 제어 (call admission control) 또는 음성 호에 대한 QoS보장을 위한 프로토콜에 아주 유용하게 적용 될 수 있는 기술이다.
다음으로 정확한 음성 호 용량 모델 (voice call capacity model)을 기반으로 음성호에 대한 경로를 설정하는 기술에 대해서 연구하였다. 본 학위 논문에서 중점적으로 다루고 있는 음성 호 경로 설정 기술 (routing algorithm)의 목적은 크게 두 가지이다. 하나는 동시에 제공할 수 있는 VoIP 호의 수의 최대화이고 다른 하나는 VoIP호 요청의 거절의 횟수를 줄이는 것이다. 이러한 목표를 효과적으로 달성하는 음성 호 경로 설정 기술을 개발하기 위해서, 정확한 음성 호 용량 모델의 정보뿐만 아니라, 각 메쉬 노드의 이용정도 (node utilization)를 이용하였다. 더 나아가 네트워크에 할당되는 음성 호의 통계적 특성을 분석하고 이를 고려하여 음성 호 요청 거절의 횟수를 줄이는 음성 호 경로 설정 기술을 개발하였다. 이렇게 개발된 음성 호에 대한 경로 설정 기술은 음성 호 경로 설정 기술의 두 가지 목표를 효과적으로 달성함을 모의 실험을 통해서 보였다. 본 학위 논문에서는 VoIP 서비스를 다 채널 다중 라디오 무선 메쉬 네트워크 환경에서 제공하기 위한 필수 기술들에 대해서 연구하였고, 이러한 연구에서 개발된 기술들을 이용하면 최근 들어 더욱더 각광 받는 VoIP서비스를 무선 메쉬 네트워크 환경에서 원활하고 안정적으로 제공할 수 있을 것으로 기대가 된다.
