[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种基于BMAP的排队模型，用于分析正交频 division 多址接入（OFDMA）IEEE 802.16网络中基于门限和队列感知的连接准入控制（CAC）机制的QoS性能。结果表明，与基于门限的CAC相比，队列感知CAC显著降低了分组丢弃概率和平均延迟，同时在不同流量负载下保持了较低的连接阻塞概率。

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).

研究动机与目标

• 评估不同CAC机制对单小区IEEE 802.16 OFDMA网络中QoS性能的影响。
• 利用成批到达过程建模多个连接在用户站共享子信道时的复杂流量行为。
• 比较启用CAC与未启用CAC场景下的连接级和分组级QoS指标。
• 分析推导关键性能指标，如阻塞概率、平均队列长度和分组延迟。
• 评估在突发流量条件下，队列感知CAC在提升QoS方面的有效性。

提出的方法

• 将连接到达建模为泊松过程，将每条连接的分组到达使用成批马氏调制到达过程（BMAP）表示。
• 基于BMAP开发排队分析框架，以表示用户站在多连接、多子信道环境下的行为。
• 应用两种CAC机制：基于最大连接数的门限机制和基于当前队列状态的队列感知机制。
• 推导QoS指标的分析表达式，包括连接阻塞概率、正在进行的连接平均数量以及平均分组延迟。
• 通过数值评估比较不同流量负载和CAC策略下的性能表现。
• 通过基于仿真的数值分析验证不同系统参数下性能指标的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在OFDMA IEEE 802.16网络中，基于门限的CAC与队列感知CAC在连接阻塞概率方面有何差异？
• RQ2 在BMAP建模的突发流量下，CAC机制对平均队列长度和分组丢弃概率有何影响？
• RQ3 在启用CAC与未启用CAC的场景下，平均分组延迟如何变化？
• RQ4 在相同流量负载下，队列感知CAC相较于基于门限的CAC在多大程度上提升了QoS性能？
• RQ5 基于BMAP的排队模型的分析结果与不同系统负载下的数值性能趋势是否一致？

主要发现

• 队列感知CAC机制在高流量负载下，分组丢弃概率显著低于基于门限的CAC机制。
• 与基于门限的方法相比，使用队列感知CAC机制可显著降低平均分组延迟。
• 在两种CAC机制下，连接阻塞概率均保持在可接受的低水平，但队列感知方法在突发流量下表现出更好的稳定性。
• 由于资源利用效率更高，队列感知CAC下的正在进行的连接平均数量更高。
• 基于BMAP的分析模型准确捕捉了数值结果中观察到的性能趋势，验证了其在QoS评估中的适用性。
• 在队列感知CAC下，队列吞吐量得到提升，表明其能更有效地处理数据突发，提升了系统整体效率。