Despite of the rapid growth of data services, voice services are still the major revenue earner for network service providers. Accordingly, voice over IP (VoIP) is one of the hottest trends in wireless communication systems because the network service providers can provide high-quality voice services at a relatively lower cost through the VoIP technology, which exploits traditional packet-switched IP networks. There are various research items for VoIP services, such as capacity improvement, QoS provisioning, power saving, VoIP codec, security, mobility management, and so on. In this thesis, we mainly focus on the capacity improvement based on the efficient resource allocation considering rate adaptation and cognitive radio.
First, a new algorithm is proposed for wireless VoIP codecs that allocates radio resources in consideration of the variations in packet size and packet-generation period. This algorithm allows resources to be utilized more efficiently in Mobile-WiMAX systems. The outstanding performance of our proposed algorithm with respect to average throughput and average packet dropping probability is shown through intensive numerical analysis and simulations. VoIP capacity is compared with respect to the application of different VoIP codecs (G.729B, adaptive multirate (AMR)) and VoIP header compression schemes (payload header suppression (PHS) and robust header compression (ROHC)).
Second, we propose a new framework to analyze performance considering finite-length queuing and adaptive modulation and coding (AMC) for multi-user VoIP services in wireless communication systems. We formulate an uplink VoIP system as a two-dimensional discrete-time Markov chain (DTMC) based on a Markov modulated Poisson process (MMPP) traffic model for VoIP services and MCS (modulation and coding scheme)-level set transition reflecting users` channel variations. We extend the transition modeling of the MCS-level for a single-user to the transition modeling of the MCS-level set for a multi-user. Throughout our DTMC formulation, we present various performance metrics, such as average queue-length, average throughput, packet dropping probability, packet loss probability, and so on. By using the results of the packet loss probability, we can find an optimum packet error rate (PER) value that minimizes the total packet loss probability.
Third, we analyze a VoIP capacity and propose a new method to find a minimum detection and false alarm probabilities for the purpose of ensuring the quality of service (QoS) requirement of VoIP users in a cognitive radio system. We formulate the system supporting VoIP service as a two-dimensional DTMC. The VoIP traffic and wireless channel in the cognitive radio system are described as a MMPP model and a Markov channel model, respectively. In addition, we introduce a simple spectrum sensing model based on energy detection. Through the DTMC formulation, we demonstrate various analytical and simulation results for the cases that spectrum sensing errors arise or not, such as packet dropping probability, average throughput and VoIP capacity. Furthermore, we aim to find a bottleneck-link for the VoIP service in the cognitive radio system.
데이터 서비스의 급속한 발전에도 불구하고, 네트워크 서비스 사업자들에게 있어서 음성 서비스는 여전히 가장 큰 수입원으로 자리잡고 있다. 이에 따라, 차세대 무선 통신 시스템을 위하여 고품질의 음성서비스를 기존 기술보다 상대적으로 낮은 가격으로 서비스할 수 있는 VoIP (Voice over IP) 기술은 가장 유망한 기술로써 각광받고 있다. VoIP 서비스를 위한 다양한 연구 아이템들로는 용량 증대 방안 연구, 품질 보장 방안 연구, 전원 절약 방안 연구, VoIP 코덱 연구, 보안 연구, 이동성 관리 연구 등이 있다. 본 논문에서는 효율적인 자원 할당과 무선 인지를 고려하여 VoIP 용량을 증대 시킬 수 있는 방안을 제안하고 분석한다.
첫째, 음성 패킷의 크기 변화와 주기 변화를 고려하여 효율적으로 무선 자원을 할당하는 새로운 자원 할당 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘을 이용하면 Mobile-WiMAX 시스템에서 무선 자원을 기존 알고리즘들보다 효율적으로 이용할 수 있다. 깊이 있는 분석과 시뮬레이션을 통해 평균 수율과 평균 패킷 손실 확률의 관점에서 제안하는 방안이 기존 방안보다 우수한 성능을 가짐을 보인다. 또한, 여러 코덱들 (G.729B 코덱, AMR (adaptive multi-rate) 코덱) 과 다양한 헤더 압축 방식 (ROHC (robust header compression), PHS (payload header suppression)) 을 적용할 때에도 제안 방안이 뛰어난 성능을 가짐을 보인다.
둘째, 실제 무선 환경에서의 채널 변이 적응 기법 (AMC (adaptive modulation and coding))과 큐에서의 패킷의 대기 (queuing) 특성을 고려한 새로운 분석 모델을 제시한다. VoIP 트래픽을 위한 MMPP 트래픽 모델과 사용자들의 채널 변화를 반영한 MCS 세트 변이를 고려하여 상향링크 VoIP 시스템을 DTMC (discrete-time Markov chain) 로 모델링한다. 기존의 한 명의 사용자에 대한 MCS 변이 모델을 다중 사용자에 대한 MCS 세트 변이 모델로 확장한다. DTMC 분석 모델을 기반으로 평균적인 큐 크기, 평균 수율, 평균 손실 확률 등의 결과를 보인다. 또한, 시스템 전체의 패킷 손실을 최소화할 수 있는 최적의 패킷 에러 값을 찾는다.
셋째, 무선 인지 환경 (cognitive radio) 에서 VoIP 시스템의 용량을 분석하고, VoIP 서비스의 품질을 보장하기 위해 필요한 스펙트럼 센싱의 조건들을 찾는 방안을 제시한다. 깊이 있는 분석을 위해 VoIP 시스템은 이차원의 DTMC를 이용하여 모델링하며, MMPP 기반의 VoIP 트래픽과 마르코프 채널 모델을 이용한다. 스펙트럼 센싱에서 에러가 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우로 나누어서 결과를 분석하며, 특히 에러가 발생하는 경우에 제안하는 방안을 적용할 경우 성능이 크게 향상됨을 보인다. 더 나아가, 무선인지 시스템에서 정체가 발생하는 링크가 어디인지도 찾아보고, 그 원인을 분석한다.
