[논문 리뷰] Performance Modelling and Analysis of Connection Admission Control in OFDMA based WiMAX System with MMPP Queuing

Abdelali El Bouchti, Said El Kafhali외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 07.

Advanced Wireless Network Optimization참고 문헌 15인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 OFDMA 기반의 WiMAX 네트워크에서 연결 허용 제어(CAC)를 위한 큐잉이론적 성능 모델을 제안하며, 트래픽 모델링에 마르코프 모odulated 포아송 프로세스(MMPP)를 사용한다. 임계치 기반 및 큐 인식 CAC 기법을 평가하여, 비허용 제어 시스템에 비해 블로킹 확률, 패킷 지연 및 큐 처리량에서 뚜렷한 향상을 보인다.

ABSTRACT

This paper presents a problem of queuing theoretic performance modeling and analysis of Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) under broad-band wireless networks. We consider a single-cell WiMAX environment in which the base station allocates sub channels to the subscriber stations in its coverage area. The sub channels 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) schemes, namely, threshold-based and queue-aware CAC schemes are considered at a subscriber station. A queuing analytical framework for these admission control schemes is presented considering OFDMA-based transmission at the physical layer. Then, based on the queuing model, both the connection-level and the packetlevel 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 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.

연구 동기 및 목표

• 통제되지 않은 연결 도착으로 인한 OFDMA 기반 WiMAX 네트워크에서의 품질 서비스(QoS) 저하 문제를 해결하기 위해.
• 단일 셀 WiMAX 환경에서 연결 허용 제어(CAC)가 시스템 성능에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 실제 트래픽 조건 하에서 임계치 기반 및 큐 인식 CAC 기법의 성능을 비교하기 위해.
• 분석적 큐잉 모델을 사용하여 연결 수준 및 패킷 수준의 성능 지표를 평가하기 위해.
• MMPP 트래픽을 사용한 CAC 메커니즘을 통해 블로킹 확률, 지연 및 처리량 향상 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 연결 도착을 포아송 프로세스로 모델링하고, 개별 연결 트래픽을 마르코프 모odulated 포아송 프로세스(MMPP)로 모델링한다.
• 가입자국에서의 임계치 기반 및 큐 인식 CAC 기법을 위한 큐잉 분석 프레임워크를 개발한다.
• 서브채널 할당을 통한 단일 셀 OFDMA 기반 WiMAX 시스템 모델을 사용한다.
• 블로킹 확률 및 평균 큐 길이와 같은 핵심 지표를 유도하기 위해 분석적 및 수치적 방법을 사용하여 성능을 분석한다.
• 다양한 트래픽 부하 및 CAC 정책 하에서 시스템 행동을 평가하기 위해 확률 모델링 기법을 적용한다.
• CAC 유무에 따른 시스템 성능을 비교하여 허용 제어의 이점 정도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계치 기반 CAC 기법은 OFDMA 기반 WiMAX 네트워크에서 연결 블로킹 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 큐 인식 CAC는 패킷 손실 확률 및 평균 큐 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CAC 및 비-CAC 시나리오 간의 연결 수준 및 패킷 수준 성능 지표는 어떻게 다름이 있는가?
• RQ4 MMPP 트래픽을 사용한 CAC를 적용할 경우 지연 및 처리량 향상 정도는 어떠한가?
• RQ5 MMPP 기반 트래픽 모델링은 단순한 포아송 모델 대비 성능 평가 정확도를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 비허용 제어 사례에 비해 임계치 기반 CAC 기법은 연결 블로킹 확률을 뚜렷이 감소시킨다.
• 큐 인식 CAC 기법은 낮은 패킷 손실 확률과 더 나은 평균 큐 길이 제어를 달성한다.
• 모든 CAC 기법에서 평균 패킷 지연이 감소하며, 특히 고부하 조건에서 큐 인식 접근 방식이 뛰어난 성능을 보인다.
• CAC 적용 시 큐 처리량이 향상되며, 특히 번갈아가며 발생하는 MMPP 트래픽 조건에서 두드러진다.
• CAC 적용 시 진행 중인 연결의 평균 수가 더 잘 규제되어 QoS 안정성이 향상된다.
• 수치적 결과는 CAC 메커니즘이 모든 평가된 성능 지표에서 측정 가능한 향상을 이끌어내며, 특히 고부하 조건에서 두드러진다.