This dissertation is devoted to the study of a packet-switched synchronous voice/data network. Particularly, we are concerned with synchronization of voice packets in a packet voice/data network. For synchronization of packetized voice, we utilize a master frame format of time division multiplexing (TDM). With the frame structure of fixed duration, packet are transmitted synchronously at the start of each frame time. This scheme has discrete delay characteristics of packetized voice, and provides a simple play-out method of voice signals. With two separate buffers for voice and data, we investigate the queueing behavior of voice and data traffics.
For the performance analysis of the proposed system, we investigate the queueing behaviors of voice and data at the start of a frame. The results of analysis include the cumulative distribution of delay of voice, and mean voice an data delay. With the cumulative distribution of voice delay, we select the optimal target play-out time to reproduce voice signal acceptably at the receiver. When voice packets experiencing delay greater than the target play-out time are discarded, the number of voice packets lost are compared with the cut-off probability of voice in the circuit-switched system with time assignment speech interpolation (TASI). When the number of voice packets to be lost exceed 0.005 of the received voice packets new calls are blocked. The probability that new voice calls are blocked is compared with that of the traditional circuit-switched system, and is also compared with that of the circuit-switched system with TASI when the loss probability of voice packet in the proposed system is the same as the cut-off probability of voice source in the circuit-switched system. By getting voice loss probability and call blocking probability, we obtain the maximum allowable input voice channels for a given capacity of output trunk. With the results of performance analysis, we obtain the optimal design criteria, such as frame duration, end-user voice play-out time, the multiplexing factor of input/output voice channels, and so forth.
When the fixed frame structure and a buffer storage for voice are used, the proposed scheme can be compared with other switching technologies. The mean voice adn data delays of the proposed system are compared with those of the conventional packet-switched network without the frame structure. Also, when voice channels are mutiplexed, the efficiency of the proposed system is compared with that of the circuit-switched system with or without TASI in terms of call blocking probability and voice loss probability. According to the results of analysis, we get the following conclusions. First, the performance of voice traffic in the proposed system has been found out to be very sensitive to the activities of voice sources. In underload condition of voice sources the system throughput is stable and voice traffic exhibits constant delay characteristics, but in an overload condition the system becomes rapidly unstable and voice delay increases sharply. To cope with this undesirable effect, a voice flow control technique by bit rate reduction is investigated. In the proposed system, voice signals can be acceptably reproduced only with the target pay-out of two frame durations per one link. For the voice activity less than 0.4 and the input/output ratio of voice channels less than 20/10, it is possible to multiplex input voice channels without a significant delay. For a tandem source-destination path, however, the input/output ratio of a voice channel should be less than 17/10 in order that the system may be stable. In addition, it is shown that for moderating activity of voice sources the voice loss probability and call blocking probability of the proposed system are much lower than those of the circuit-switched system. Then, in the proposed system, two times of the number of input voice channels can be accommodated rather than that of the traditional circuit-switched system for the given output trunk capacity. Also, one and half times of the number of input voice channels can be accommodated rather than that of the circuit-switched system with TASI. As the performance of data traffic in the proposed system the, effective throughput of the link is degraded for the price of voice synchronization, especially for low utilization of data. Mean data delay in the proposed system is greater than that of the conventional packet-switched system and it has a lower bound of one frame duration for low utilization of data. But the delay variance of data is smaller than that of the conventional packet-switched system.
To implement the proposed system, we consider various voice coding and packetization techniques. For a bit rate control of voice, a multi-rate embedded coding scheme is introduced and its performance in the proposed system is analyzed. We also investigate a reproduction scheme of voice, for which we study the delay estimation method of voice packet and the synchronization method using the target play-out time. We suggest a layered structure and a voice protocol for the proposed packet-switched network.
본 논문에서는 음성과 데이타가 다중화된 패킷 통신망에서 음성 및 데이타 패킷이 시간 동기를 가지고 전송되는 경우에 발생되는 제반 문제들과 시스템의 성능이 연구 및 분석되었다. 특히 음성 패킷의 동기 서비스에 대하여 중점적으로 연구되었다.
먼저 Markov 특성을 갖는 음성 트래픽을 discrete-time domain 에서 모델하여 평형 상태에서 뿐 만 아니라 과도기적인 상태에서의 음성 트래픽의 전송 특성을 보다 정확히 분석하였다. 또한 동기 서어비스를 하는 음성 및 데이타 다중화 시스템에 대하여 discrete-time queueing 분석을 통하여 음성과 데이타 버퍼 특성에 대한 일반적인 관계식을 유도하였다. 이를 single server 시스템, multiserver 시스템 및 우선도를 가지고 서비스되는 시스템에 대하여 분석하였다.
음성 트래픽의 전송 특성의 분석을 위해 음성 source의 Markov 특성을 반영하여 음성 버퍼의 moment generating function 을 구하였으며, 분석 결과는 두가지 우선도 그룹을 갖는 음성 트래픽과 망의 트래픽 흐름 조절을 위해 음성 패킷 사이즈가 감소되는 경우에 대하여 응용되었다. 또한 음성 채널이 여러개의 노드를 통하여 연결되는 경우에 음성 트래픽의 전송 특성이 분석되었다.
데이타 트래픽의 전송 특성을 분석하기 위해 먼저 우선도를 가지고 서어비스 되는 음성 트래픽의 과도기적인 특성이 분석되었으며, 한 프레임 내에 음성 트래픽이 전송되고 난 잔여 기간 동안에 전송되는 데이타 트래픽의 버퍼 특성이 분석되었다. 데이타 트래픽은 전송 특성은 각 데이타 패킷이 각 프레임에 동기되어 서어비스되는 경우와 프레임 동기 없이 잔여 프레임이 있을 때 즉시 서어비스 되는 두 가지 경우에 대하여 분석이 되었다.
제안된 시간 동기 패킷 교환 시스템의 구현을 위하여 음성 신호의 코딩, reconstruction 및 흐름 조정 방식이 연구되었으며 X.25 프로토콜과 상응하는 계층적 구조의 프로토콜을 제안하였다.
본 논문에서는 이러한 분석 작업을 통하여 제안된 시스템에 관하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 먼저 제안된 시스템을 통한 음성 트래픽은 한 프레임 타임의 정수 배의 전송 지연을 겪게 되며, 이러한 경우 입력 및 출력되는 음성 채널 수의 비가 15/10 보다 작고 각 음성 트래픽의 이용도가 0.4 보다 작을 때 수신 단에서 한 전송 링크 당 두 개의 프레임 시간 간격의 target play-out time 을 사용하여 용이하게 음성 신호를 재생할 수 있다. 둘째로 제안된 시스템은 각 음성 트래픽에 대하여 평형 상태에서 한 개 프레임의 전송 지연을 갖고 일정한 전송 채널을 제공할 수 있다. 그러나 음성 트래픽의 과부하 상태에서는 시스템의 전송 특성은 불안정 해지며 이러한 경우 음성 패킷 사이즈의 감축을 통하여 음성 트래픽의 흐름을 조절 해야한다.
셋째로 제안된 시스템은 음성 트래픽을 저장 및 송출하는 방식으로 전송하기 때문에 TASI 기법을 사용하는 회선 교환 방식에 비하여 전송 채널에 있어 음성 트래픽이 유실 될 확률이 훨씬 작다. 그러나 음성 트래픽의 과부하 상태에서는 제안된 시스템에서의 음성 트래픽 유실은 회선 교환 방식보다 커지게 된다. 여기서 제안된 시스템은 수신 단에서 지나치게 지연된 음성 패킷이 유실되는 데 반하여 TASI 기법의 회선 교환에서는 입력되는 음성 채널 수가 제공되는 출력채널 수보다 일시적으로 클 경우에 수용 능력을 초과하는 음성 트래픽이 유실된다.
넷째로 음성 채널 개설이 차단될 확률과 음성 트래픽이 유실 될 확률을 통하여 제안된 시스템과 회선 교환 시스템을 비교하여 볼 때 제안된 시스템은 같은 전송 조건에서 기존 회선 교환시스템에 대하여 약 두 배 정도의 음성 채널 수용 할 수 있고, TASI 기법의 회선 교환 시스템에 대하여 약 1.5 배 정도의 음성 채널을 수용 할 수 있다.
다섯째로 데이타 트래픽의 전송 특성을 보면 제안된 시스템을 통한 데이타 트래픽은 프레임 동기 방식의 전송 구조로 인하여 기존 패킷 교환 시스템 보다 큰 전송 지연을 겪게 된다. 또한 데이타 트래픽의 동기 서어비스 방식은 작은 채널 이용도에 있어서 지연시간이 random 서어비스 방식보다 크며 한 프레임 타임 간격의 lower bound 를 갖는다.
제안된 시스템의 구현에 있어 전송 링크가 128 kbits/s 일 경우에 음성 트래픽의 전송 속도는 16 kbits/s 가 적당 하며 이경우 12 개 정도까지 음성 채널을 다중화가 가능하며, 전송 링크가 1.544 Mbits/s 일 경우에 음성 트래픽의 전송 속도는 32 kbits/s 가 적당 하며 이 경우 약 100 개 정도까지 음성 채널을 다중화가 가능하다. 또한 제안된 시스템은 discrete 한 레벨의 음성 지연 특성을 갖기 때문에 음성 패킷으로 부터 음성 신호를 추출하기 위해 음성 패킷의 sequence 번호와 수신단의 play-out sequence 번호로 부터 비교적 간단하게 음성 신호를 재생 할 수 있다.
제안된 시스템을 구현하기 위한 프로토콜로 본 논문에서는 error recovery 와 sequence control 이 없는 multi-packet 프레임 구조와 sequence control 없이 endto-end delivery confirmation 을 하는 패킷 레벨 프로토콜을 제안한다.
