[論文レビュー] Analysis of Quality of Service Performances of Connection Admission Control Mechanisms in OFDMA IEEE 802.16 Network using BMAP Queuing

Abdelali El Bouchti, Abdelkrim Haqiq+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2012

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、OFDMAベースのIEEE 802.16ネットワークにおける、しきい値ベースおよびキュー状態に依存する接続許可制御（CAC）メカニズムのQoS性能を分析するため、BMAPに基づくキューイングモデルを提案する。実験により、さまざまなトラフィック負荷下でも接続ブロッキング確率を低く保ちつつ、キュー状態に依存するCACは、しきい値ベースのCACと比較してパケット損失確率と平均遅延を顕著に低減することが示された。

ABSTRACT

In this paper, we consider a single-cell IEEE 802.16 environment in which the base station allocates subchannels to the subscriber stations in its coverage area. The subchannels allocated to a subscriber station are shared by multiple connections at that subscriber station. To ensure the Quality of Service (QoS) performances, two Connection Admission Control (CAC) mechanisms, namely, threshold-based and queue-aware CAC mechanisms are considered at a subscriber station. A queuing analytical framework for these admission control mechanisms is presented considering Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) based transmission at the physical layer. Then, based on the queuing model, both the connection-level and the packet-level performances are studied and compared with their analogues in the case without CAC. The connection arrival is modeled by a Poisson process and the packet arrival for a connection by Batch Markov Arrival Process (BMAP). We determine analytically and numerically different QoS performance measures (connection blocking probability, average number of ongoing connections, average queue length, packet dropping probability, queue throughput and average packet delay).

研究の動機と目的

• 単一セルのIEEE 802.16 OFDMAネットワークにおける、さまざまなCACメカニズムがQoS性能に与える影響を評価すること。
• ユーザー局における複数の接続がサブチャンネルを共有する際の複雑なトラフィック行動を、バッチ到着プロセスを用いてモデル化すること。
• CAC有効／無効の両状況における接続レベルおよびパケットレベルのQoS指標を比較すること。
• ブロッキング確率、平均キュー長、パケット遅延などの主要な性能指標を解析的に導出すること。
• バーストトラフィック条件下でのキュー状態に依存するCACのQoS向上効果を評価すること。

提案手法

• 接続の到着をポアソン過程としてモデル化し、各接続ごとのパケット到着をバッチ・マコフ到着プロセス（BMAP）で表現する。
• BMAPに基づくキューイング解析フレームワークを構築し、ユーザー局におけるマルチ接続・マルチサブチャンネル環境を表現する。
• 2種類のCACメカニズムを適用する：しきい値ベース（最大接続数に基づく）およびキュー状態に依存する（現在のキュー状態に基づく）。
• 接続ブロッキング確率、進行中の接続数の平均、平均パケット遅延などのQoS指標の解析的表現を導出する。
• さまざまなトラフィック負荷とCAC戦略における性能を比較するため、数値的評価を実施する。
• 異なるシステムパラメータ下での性能指標について、シミュレーションを用いた数値的分析により結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OFDMAベースのIEEE 802.16ネットワークにおいて、しきい値ベースとキュー状態に依存するCACメカニズムは、接続ブロッキング確率においてどのように比較されるか？
• RQ2 BMAPでモデル化されたバーストトラフィック下で、CACメカニズムの影響は、平均キュー長およびパケット損失確率にどのように現れるか？
• RQ3 CAC有効／無効の両状況における平均パケット遅延は、どのように変化するか？
• RQ4 同じトラフィック負荷下で、キュー状態に依存するCACは、しきい値ベースのCACと比較して、QoS性能をどの程度向上させるか？
• RQ5 BMAPに基づくキューイングモデルの解析的結果は、さまざまなシステム負荷における数値的性能トレンドとどの程度整合するか？

主な発見

• キュー状態に依存するCACメカニズムは、特に高負荷下において、しきい値ベースのCACと比較して、より低いパケット損失確率を達成する。
• キュー状態に依存するCACを採用することで、平均パケット遅延がしきい値ベースのアプローチと比較して顕著に低減される。
• 両方のCACメカニズムにおいて接続ブロッキング確率は許容範囲で低く保たれるが、バーストトラフィック下ではキュー状態に依存するアプローチがより高い安定性を示す。
• キュー状態に依存するCACでは、リソースの効率的利用により、進行中の接続数の平均が高くなる。
• BMAPに基づく解析的モデルは、数値的結果で観察された性能トレンドを正確に捉えており、QoS評価に有効であることが検証された。
• キュー状態に依存するCACでは、キュースループットが向上し、バーストデータの処理能力とシステム全体の効率性が向上していることが示された。