[論文レビュー] Performance Modelling and Analysis of Connection Admission Control in OFDMA based WiMAX System with MMPP Queuing

Abdelali El Bouchti, Said El Kafhali+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2013

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 15被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、OFDMAベースのWiMAXネットワークにおける接続許可制御（CAC）のためのキューイング理論的性能モデルを提案する。トラフィックモデルにはマコフ変調ポアソン過程（MMPP）を用い、しきい値ベースのCACとキューを考慮したCAC方式の性能を評価した結果、非許可制御システムと比較して、ブロッキング確率、パケット遅延、キュー透過量の面で顕著な改善が得られた。

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.

研究の動機と目的

• OFDMAベースのWiMAXネットワークにおける、制御不能な接続到着によるサービス品質（QoS）の劣化を是正すること。
• 単一セルWiMAX環境における接続許可制御（CAC）のシステム性能への影響をモデル化すること。
• 現実的なトラフィック条件下でのしきい値ベースとキューを考慮したCAC方式の性能を比較すること。
• 解析的キューイングモデルを用いて、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。
• MMPPトラフィックを用いたCACメカニズムによるブロッキング確率、遅延、スループットの向上を定量的に評価すること。

提案手法

• 接続の到着をポアソン過程としてモデル化し、個々の接続トラフィックをマコフ変調ポアソン過程（MMPP）として扱う。
• 加入ステーションにおけるしきい値ベースとキューを考慮したCAC方式の両方を対象としたキューイング解析フレームワークを構築する。
• サブチャンネル割り当てを伴う単一セルのOFDMAベースのWiMAXシステムモデルを用いる。
• ブロッキング確率や平均キュー長といった主要指標を導出するために、解析的および数値的手法を用いて性能を分析する。
• さまざまなトラフィック負荷とCACポリシー下でのシステム動作を評価するために、確率的モデリング技術を適用する。
• CAC有無のシステム性能を比較し、許可制御の利点を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 しきい値ベースのCAC方式は、OFDMAベースのWiMAXネットワークにおける接続ブロッキング確率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 キューを考慮したCACは、パケットドロップ確率および平均キュー長にどのような影響を及えるか？
• RQ3 CACありと非CACありの状況における接続レベルおよびパケットレベルの性能指標には、どのような差異が生じるか？
• RQ4 MMPPトラフィックを用いたCACを導入した場合、遅延およびスループットの面でどの程度の性能向上が得られるか？
• RQ5 単純なポアソンモデルと比較して、MMPPに基づくトラフィックモデリングは、性能評価の正確性をどのように向上させるか？

主な発見

• しきい値ベースのCAC方式は、非許可制御ケースと比較して、顕著に接続ブロッキング確率を低減する。
• キューを考慮したCAC方式は、より低いパケットドロップ確率を達成し、平均キュー長の制御がより良好である。
• 両方のCAC方式において平均パケット遅延が低減され、特に高負荷下ではキューを考慮したアプローチが優れた性能を示す。
• CAC導入によりキュー透過量が向上し、とくにバースト性の高いMMPPトラフィックが発生する状況で顕著である。
• CAC導入により、進行中の接続数の平均がより適切に制御され、QoSの安定性が向上する。
• 数値結果から、CACメカニズムがすべての評価指標において測定可能な改善をもたらすことが確認され、とくに高負荷条件下で顕著である。