Reduction of control overhead required for allocating data channel resources has been one of the key metrics for evaluating and selecting radio access technologies. To improve data channel utilization, cellular systems support data channel resource multiplexing with fine granularity for various lengths of packets. However, the fine granularity of resource allocation in a data channel is obtained at the expense of increased control channel overhead. The excessive control overhead for allocation resources to periodically transmitted packets with small payload motivated the development of persistent allocation.
Focused on the small length and the periodic generation of voice over internet protocol (VoIP) packet, persistent allocation was originally adopted in cellular networks to reduce the excessive control overhead. Essentially, persistent allocation is applicable not only to VoIP traffic but also to any other traffic types of which packets are generated periodically with small payload. Traditionally, machine-type traffic is featured with aperiodic and sporadic packet generation. Recently, motion control of a machine is identified as one of 5G application scenarios, and traffic characterization of it revealed that both downlink or uplink packets of motion control are periodically transmitted and have small payload. Thus, persistent scheduling is considered to be necessary for resource allocation of motion control traffic.
The performance of persistent allocation has been extensively studied in the literature. Since VoIP traffic was the original target of persistent allocation, most of previous studies evaluated the increase in VoIP capacity due to control overhead reduction. Although there were some analytical results, it is worth noting that these studies presented numerical results obtained by system-level simulations. Despite these previous studies, the control overhead reduction by persistent allocation has not been mathematically analyzed in the literature so far.
In this dissertation, the performance of persistent allocation for not only VoIP traffic but also motion control traffic is mathematically analyzed. Unlike previous analytical models, a multi-dimensional Markov chain is employed. For VoIP traffic, a continuous-time Markov model is constructed and analytical results based on continuous-time analysis are presented. For motion control traffic, a discrete-time Markov model is constructed and analytical results based on continuous-time analysis are presented, where the discrete-time Markov model is more suitable for performance analysis of cellular systems operating on a frame basis. Performance of persistent allocation is analyzed in terms of blocking probability and utilization of data channel resources. Finally, based on the obtained blocking probability, the maximum achievable control overhead reduction by persistent allocation is analyzed in terms of control overhead reduction ratio. To verity the analysis results, simulation results are compared with analysis results and good agreement is observed by the comparison.
데이터 채널 자원 할당에 필요한 제어 오버헤드 저감은 무선 접속 기술을 평가하고 선택함에 있어 중요한 핵심 척도이다. 데이터 채널 활용도를 향상시키기 위해, 셀룰러 시스템은 다양한 길이를 가진 패킷을 위한 세밀한 단위의 데이터 채널 자원 다중화를 지원한다. 그러나, 세밀한 단위의 자원 할당은 제어 채널 오버헤드의 증가라는 대가를 치르게 한다. 주기적으로 전송되는 작은 페이로를 가진 패킷에 대한 자원 할당에 필요한 과도한 제어 오버헤드는 지속 할당 개발의 이유가 되었다.
작은 길이로 주기적으로 생성되는 음성 인터넷 프로토콜 패킷에 초점을 맞추어, 지속 할당은 원래 과도한 제어 오버헤드를 줄이기 위해 셀룰러 네트워크에 채택되었다. 본질적으로, 지속 할당은 음성 인터넷 프로토콜 트래픽뿐만이 아니라 작은 페이로드를 가지고 주기적으로 생성되는 패킷을 가지는 다른 형태의 트래픽에도 적용 가능하다. 전통적으로, 기계 형태 트래픽은 비주기적이고 간헐적인 패킷 생성이라는 특징을 가진다. 최근, 기계의 동작 제어가 5세대 통신의 응용 시나리오로 식별되었고, 트래픽 분석을 통해 동작 제어의 하향 링크 또는 업 링크 패킷들은 주지적으로 송신되고 작은 페이로드를 가진 다는 것이 알려졌다.
문헌상에서 지속 할당의 성능은 광범위하게 연구되었다. 음성 인터넷 프로토콜 트래픽이 지속 할당의 원래의 대상이었기 때문에, 대부분의 선행 연구들은 제어 오버헤드 감소로 인한 음성 인터넷 프로토콜 용량 증대에 대한 성능 평가를 하였다. 몇몇의 이론적인 분석 결과도 있지만, 이러한 연구들은 시스템 레벨 시뮬레이션을 통한 수치적인 결과를 제공한다는 것은 주목할 필요가 있다. 이러한 선행 연구들에도 불구하고, 지속 할당에 의한 제어 오버헤드 감소는 문헌상에서는 아직 수학적으로 분석되지 않았다.
본 논문에서는 음성 인터넷 프로토콜 트래픽뿐만이 아니라 동작 제어 트래픽을 위한 지속 할당의 성능을 수학적으로 분석한다. 이전의 분석 모델과 달리 다차원 마코프 체인 모델을 사용한다. 음성 인터넷 프로토콜 트래픽에 대해, 연속 시간 마코프 모델을 세우고 연속 시간 분석을 통해 분석적인 결과를 제시한다. 동작 제어 트래픽에 대해, 이산 시간 마코프 모델을 세우고 이산 시간 분석을 통해 분석적인 결과를 제시하는데 이러한 이산 마코프 모델은 프레임 단위로 동작하는 셀룰러 시스템의 성능 분석에 더욱 적합하다. 지속 할당의 성능 분석은 블록킹 확률과 데이터 채널 자원 활용률로 분석한다. 최종적으로는, 얻어진 블록킹 확률에 기반하여 지속 할당에 의한 최대의 획득가능한 제어 오버헤드 감소를 제어 오버헤드 감소 비율로 분석한다. 분석 결과를 검증하기 위해, 시뮬레이션 결과와 분석 결과를 비교하고 두 결과가 잘 일치함을 확인한다.
