[論文レビュー] Performance Analysis of Connection Admission Control Scheme in IEEE 802.16 OFDMA Networks

Abdelali El Bouchti, Said El Kafhali+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2013

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、IEEE 802.16 OFDMAネットワークにおける接続許可制御（CAC）方式の待ち行列理論的性能解析を提案する。接続の到着をポアソン過程としてモデル化し、パケットの到着を2状態のマルコフ変調ポアソン過程（MMPP）で表現する。解析的にブロッキング確率、平均キュー長、パケット遅延といった主要なQoS指標を導出し、CACが非許可制御の状況と比較して、システムの安定性を著しく向上させ、パケット損失を低減することを示している。

ABSTRACT

IEEE 802.16 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) technology has emerged as a promising technology for broadband access in a Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) environment. In this paper, we address the problem of queueing theoretic performance modeling and analysis of OFDMA under broad-band wireless networks. 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, a Connection Admission Control (CAC) scheme is considered at a subscriber station. A queueing analytical framework for these admission control schemes is presented considering OFDMA-based transmission at the physical layer. Then, based on the queueing 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 a two-state Markov Modulated Poisson Process (MMPP). We determine analytically and numerically different performance parameters, such as 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

• 変動するトラフィック負荷下における、OFDMAベースのIEEE 802.16無線メトロポリタンエリアネットワークにおける品質保証（QoS）を維持する課題に対処すること。
• 共有サブチャンネルを有する1セルのOFDMA環境において、接続許可制御（CAC）のシステム性能に与える影響をモデル化すること。
• CACありとなしの状況を比較し、接続レベルおよびパケットレベルの性能指標を評価することで、CACの有効性を定量化すること。
• 加入ステーションで複数の接続がサブチャンネルを共有するダイナミクスを捉える待ち行列解析フレームワークを構築すること。
• 解析的および数値的性能評価を通じて、システム容量とQoS保証のトレードオフを評価すること。

提案手法

• バースト性のあるトラフィック行動を反映させるために、接続の到着をポアソン過程、パケットの到着を2状態のマルコフ変調ポアソン過程（MMPP）でモデル化する。
• 加入ステーションにおける待ち行列モデルを構築し、複数の接続間でのサブチャンネル共有を表現するとともに、CAC論理を統合する。
• ブロッキング確率、進行中の接続数の平均、平均キュー長といった性能指標を導出するための解析的手法を適用する。
• 確率的モデリングと定常状態解析を用いて、パケット破棄確率や平均パケット遅延といった主要なQoSパrameterを計算する。
• 性能向上を定量化するために、CACなしのベースライン状況と解析結果を比較する。
• 異なるトラフィック負荷およびシステム構成において、数値的に結果を検証し、妥当性と正確性を確認する。

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、CAC方式を導入することで接続ブロッキング確率はどのように変化するか？
• RQ2 CACは、加入ステーションにおける進行中の接続数の平均および平均キュー長にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 マルチ接続OFDMA環境において、CACはパケット破棄確率および平均パケット遅延にどのように影響を与えるか？
• RQ4 非許可制御システムと比較して、CACは全体的なシステム安定性およびQoS性能をどの程度向上させるか？
• RQ5 MMPPでモデル化された異なるトラフィックパターン下で、性能指標はどのように変化するか？

主な発見

• CAC方式により、特に高トラフィック負荷下で接続ブロッキング確率が顕著に低減され、加入ステーションでの過負荷を防ぐことができる。
• CACの導入により、進行中の接続数の平均がより予測可能かつ制御可能となり、リソースの有効活用とQoSの強化が可能になる。
• CACにより平均キュー長が著しく低減され、バッファオーバーフローのリスク低減とキューイング安定性の向上が示された。
• 前もっての許可制御により、パケット破棄確率が顕著に低下し、エンドツーエンドの信頼性が向上した。
• 特に遅延に敏感なアプリケーションにおいて、CACによりキューイングと混雑が軽減され、平均パケット遅延が最小化された。
• 解析モデルはシステム動作を正確に予測できており、異なるトラフィック強度下でも一貫した性能向上が数値結果で確認された。