[论文解读] 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 12

一句话总结

本文提出了一种基于马氏调制泊松过程（MMPP）的OFDMA-WiMAX网络中连接接纳控制（CAC）的排队理论性能模型。评估了基于阈值的CAC与队列感知CAC方案，结果表明相比非接纳控制的系统，其在阻塞概率、分组延迟和队列吞吐量方面均有显著改善。

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.

研究动机与目标

• 为解决因连接接入不受控而导致的OFDMA-WiMAX网络服务质量（QoS）下降问题。
• 在单小区WiMAX环境中，建模连接接纳控制（CAC）对系统性能的影响。
• 在真实流量条件下，比较基于阈值与队列感知CAC方案的性能。
• 使用分析性排队模型评估连接级与分组级性能指标。
• 量化CAC机制在MMPP流量下的阻塞概率、延迟与吞吐量增益。

提出的方法

• 将连接到达建模为泊松过程，将单个连接的流量建模为马氏调制泊松过程（MMPP）。
• 在用户站处为两种CAC方案（基于阈值与队列感知）构建排队分析框架。
• 采用单小区OFDMA-WiMAX系统模型，并通过子信道分配给用户站。
• 使用分析与数值方法分析性能，推导关键指标如阻塞概率与平均队列长度。
• 应用随机建模技术，评估在不同流量负载与CAC策略下的系统行为。
• 对比有CAC与无CAC情况下的系统性能，以量化接纳控制带来的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于阈值的CAC方案对OFDMA-WiMAX网络中连接阻塞概率有何影响？
• RQ2 队列感知CAC对分组丢弃概率与平均队列长度有何影响？
• RQ3 CAC与非CAC场景下，连接级与分组级性能指标有何差异？
• RQ4 在使用MMPP流量时，CAC机制在延迟与吞吐量方面的性能增益如何？
• RQ5 与简单泊松模型相比，基于MMPP的流量建模如何提升性能评估的准确性？

主要发现

• 与非接纳控制情况相比，基于阈值的CAC方案显著降低了连接阻塞概率。
• 队列感知CAC方案实现了更低的分组丢弃概率，并对平均队列长度具有更好的控制能力。
• 在两种CAC方案下，平均分组延迟均有所降低，尤其在高负载下，队列感知方法表现更优。
• 在CAC机制下，队列吞吐量得到提升，尤其在突发性MMPP流量场景下更为明显。
• 在CAC机制下，正在进行的连接平均数量得到更有效的调控，从而增强了QoS稳定性。
• 数值结果证实，CAC机制在所有评估的性能指标上均带来可测量的改进，尤其在高负载条件下更为显著。