In this dissertation work, the performances of statistical packet voice and voice/data multiplexers and cut-through switching technique for packet communication are studied extensively. We assume that in the packet voice/data multiplexer two separate queues are used for voice and data traffics, and each queue is served based on the first-in first-out (FIFO) rule. Also, we assume that voice traffic gets priority over data.
For the performance analysis of the multiplexers, we divide the output link into a sequence of time slots. The voice signal is modeled as an (M+1)-state Markov process, M being the packet generation time in slots. This model reflects the slot-by-slot correlation property of talkspurt and pause and the periodic nature of packet generation when the voice input is in a talkspurt state. As for the data traffic, it is modeled by a simple Poisson process. In our discrete time domain analysis, the queueing behavior of voice traffic is little affected by the data traffic since voice signal has priority over data. Therefore, we first analyze the queueing behavior of voice traffic, and then using the result, we study the queueing behavior of data traffic.
For the packet voice multiplexer, both input state and voice buffer occupancy are formulated by a two-dimensional Markov chain. Numerical results for the performance of the packet voice multiplexer have been obtained using the Gauss-Seidel iteration method. For the integrated voice/data multiplexer we use a three-dimensional Markov chain that represents the input voice state and the buffer occupancies of voice and data. With this model the numerical results for the performance of the packet voice data multiplexer have been obtained also by the Gauss-Seidel iteration method.
The analytical results have been verified by computer simulation. From the results we have found that there exist tradeoffs among the number of voice users, output link capacity, voice queue size and overflow probability for the voice traffic, and also exist tradeoffs among traffic load, data queue size and overflow probability for data traffic. In addition, there exists a tradeoff between the performance of voice and data traffics for given input traffics and link capacity. Also, it has been found that the average queueing delay of data traffic is longer than the maximum buffer size when the gain of time assignment speech interpolation (TASI) is more than two and the number of voice users is small.
For analysis of cut-through switching, we have used an M/D/1 tandem queueing model for the queueing network. We have studied various properties of cut-through switching including the actual traffic intensity, average number of nodes to be traversed and the overall network delay. In our analysis of delay resulting from retransmission of erroneous packets, we have included factors that have not been considered previously so that we can obtain the overall network delay more accurately. Also, we have obtained distributions of the number of nodes to be traversed and the number of nodes through which packets pass by cut. Most of these analytical results have been verified by computer simulation. Based on our study results, we conclude that cut-through switching is an effective method in minimizing network delay, particularly for voice transmission that requires the delay not to exceed more than 300 ms.
본 논문에서는, packet 음성과 집적된 packet 음성 및 데이타의 다중 시스템들에 관한 성능분석과 cut-through 스위칭 방식의 성능에 대하여 중점적으로 연구하였다. packet 음성 및 데이타 다중화기에 있어서는 음성과 데이타 traffic에 대하여 queue를 각각 사용하였으며, 이들 queue는 first-in first-out (FIFO) 규칙에 의하여 처리되도록 하였다. 또한 여기서는 음성이 데이타에 대하여 우선 순위를 갖는 것으로 가정하였다.
다중화기의 성능을 분석하기 위하여, 출력 link를 시간상에서 연속된 slot으로 분할하고 음성신호는 (M+1)-state의 Markov process로 modeling하였다. 이 model은 talkspurt와 silence가 slot사이에서 변화할 때 지난 slot에서의 상태와 상관관계가 큰 성질과 음성입력이 talkspurt상태에 있을때 packet이 주기적으로 발생하는 성질을 잘 나타내 준다. 데이타 traffic은 simple Poisson process로 modeling하였다. Discrete 한 시간상에서 해석할 때, 음성신호는 데이타 신호에 비하여 우선 순위가 높기 때문에 데이타 입력의 영향을 거의 받지 않는다. 따라서, 우선 먼저 음성입력에 대한 queueing behavior를 분석하고, 그 결과를 이용하여 데이타 입력에 대한 queueing behavior를 연구하였다.
Packet 음성 다중화기에서는, 음성의 입력 state와 buffer 점유도 (occupancy)를 2차원적인 Markov chain으로 수식화하고, 이 packet 음성 다중화기의 성능은 Gauss-Seidel iteration과 같은 수치해석적 방법을 사용하여 최종치를 구하였다. 음성 및 데이타가 집적된 다중화기에 대해서는 음성 입력 state와 음성과 데이타의 buffer 점유도를 함께 나타낼 수 있는 3차원적인 Markov chain으로 수식화 하였다. 이를 이용하여 packet 음성 및 데이타 다중화기의 성능에 관한 결과를 Gauss-Seidel iteration 방법을 이용한 수치해석적 방법을 통하여 얻었으며 결과는 컴퓨터 simulation에 의하여 검증되었다. 이 결과로 부터 음성 입력에 있어서 음성 사용자수, 출력 link 용량, 음성용 queue의 크기와 overflow 확률 사이에 상호 관계가 있고 데이타 입력에 있어서도 입력 load, 데이타 queue의 크기, overflow 확률사이에 상호관계가 있음을 알았다. 또한 TASI 이득이 두배 이상되면서 음성 사용자수가 적을 때는 데이타 입력의 평균 queueing 지연시간이 최대 buffer 크기에 의한 지연시간 보다 큰 경우도 있는 것이 확인되었다.
Cut-through 스위칭을 분석하기 위하여서는 queueing network을 M/D/1 tandem queue로 modeling하였다. 이 새로운 스위칭 방법에 있어서는 actual traffic intensity, 지나야 되는 평균 node수와 network내에서의 지연시간을 포함한 여러가지 성질에 대하여 연구하였다. Error가 발생한 packet의 재전송에 의한 시간 지연 분석에 있어서는, 이전에 고려되지 않은 여러 요인을 고려하여 좀더 정확한 network내의 지연시간을 구하였으며 지나가야 하는 node 수의 분포와 packet이 cut하고 지나가는 node수에 관한 분포도 구하였다. 여기서 구한 대부분의 결과는 컴퓨터 simulation에 의하여 검증되었다. 연구결과에 근거하여, cut-through 스위칭은 network내의 지연시간을 최소화하는데 효과적이며 특히 지연시간이 300 ms를 넘지 않아야 하는 음성 전송에 효과적이라는 결론을 얻었다.
