Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   12 ,  No.   3 ,  Decem ber   201 8 , p p.   1 159 ~ 117 0   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 2 .i 3 .pp 1159 - 117 0          1159       Journ al h om e page :  http: // ia e s core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   QoS Ma nagemen t in WS N - MC N Conve rgence Net work Usi ng  Priorit y Based T raffic M odels       An it a  Sw ain ,  Arun Kum ar   Ray   Kali nga   Instit u te of  Industri al Te chnol og y ,  (Dee m ed  to  b e  Unive rsit y ) ,   Bhub ane s war,   Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r   1,   2018   Re vised  Ma y  24 , 2 018   Accepte d  Aug   3 0 , 201 8       Te chno logi c al advance m ent s   an d  inc r ea sed   dev e lopments  lead   to   inc r ea se   th e   deve lopment   of   hand - hel d   d evi c es  which   enc our age  th e   growth   of  Mac h ine - to - Mac hin e  (M 2M)  comm unic at ion .   In   thi s  cont ex t  d evi c es   be long  to   het ero g ene ous  n et work  r equi re   a   comm on  platfor m   to  m eet  th e   ch al l enge s  of   dat a   ce n tric  wire le ss   services  and   appl i cations.   To   sati sf y   th e  n ee d s  of  M2M   comm unic at ion,  Mobile  C el lu l ar  Ne twork  (M CN)  and   W ire l ess  Sensor  Network  (W SN )   conve rg ed  to  a   single   p la tform .   In  th is  pape r   t wo  priorit y   m odel s  has  been  proposed  wit h  non  pre empti ve  prior ity   and   pre emptiv e   priori t y   to   an aly z e  th e   data  tra ff ic  at   MA C  lay e r  of   the   conve rg ed  n e twork.   The  per form anc e   m a tri c es  ar e   deter m ine d  to   m ai nt a in  QoS   in  te rm s  of   red u ce d   dropping  and   bl ocki ng   proba b il i t y ,   wai ti ng   ti m e   in  the  queu e   etc.  Fina lly ,   th e   proposed  m odel s a re   compar ed  in   te rm s of  QoS   f a ct ors.     Ke yw or d s :   Bl ock in g Pr obabili ty   Conver ge nce   Droppi ng Pro ba bili ty   MCN   WSN   Copyright   ©   201 8  Instit ut e  o f Ad van ce d   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   An it a S wain ,   Kali ng a  Insti tu te  o f  Industrial   Tech no l og y,   (D eem ed  to  be Un i ver sit y),  Bhuba nes war ,  In dia ,    Em a il :  anita .sw ai n070 3@g m ai l.co m       1.   INTROD U CTION     Netw orkin g  te chnolo gies   al l ow   a   la r ge   nu m ber   of  div e rsity   of  dev ic es   s uch  as   m ob il e  ph ones,   la pt ops,   TVs,   perso nal  com pu te rs,   s pe aker s ,  li gh ts  a nd  el ect ronic   ap pliances  to  be  c onnected  i n  a  s ea m le ss  m ann er.  T his  par a dig m   create s  a  po s sibil it y  of     m achine - to - m achine  (M 2M)  c omm un i cat i on   an d  e xc hange  of   in f orm at ion .   M2M  com m un ic at ion s  is  cha racteri zed  by  l ow   powe r,   l ow  cost,  a nd  le ss   hu m an  in vo l ve m ent   [1 ,   2] .  At   this  po i nt,   the   WSN  is   go i ng  t o  s at isfy  the   cha r act erist ic s  of  M2M  c omm un ic at ion   us in g  st at ic   an d  m ob il e  se ns or  nodes .  Howe ve r   t he  de plo yi ng  st rategy  of  WSN  de pends   upon  t he  c omm un ic at ion   sta nd a r d.  Zig bee  i s  one   of   the  m os t  ap pro pr ia te   c omm un ic at ion   sta nd a r d  for  WSN   [ 3] .  Howe ver  the   m ob il e  se nsor   nodes  a re  m or e  fl exible  to  real   tim e  ap plica ti on s  t ha n  the  sta ti c  se nsor   no des   [4,  5] .   I n  a n  integ rat ed  netw ork   of  MC N  an d  WSN,  t he  fron t   sensi ng  pa rt  is  WSNs  w hich   can   be   fle xib ly   dep l oyed   to  detect   diff e ren t  ty pe s   of  s ens or y  data  a nd  th e  MC N  act   as  a   bac kgr ound   ne twork   f or  dat a  tra ns m issi on .   T hese   dy nam i c  be ha vior  of  WSN  e nc oura ges   to   create   a   platf orm   fo r   WSN  a nd  MC N   to   c onve r ge  a nd  e sta blish   a  c omm on  netw ork.  B ecause   MC N   ha s  th e   adv a ntage s  of   l arg e  co ver a ge  and  po werfu l  use r  te rm inals,  WSN  a nd  MC N  c onverge nce   is  ind is pe ns ab le   f or   su pp or ti ng  M 2M   com m un ic ation s   [6] .  T he  c onve rg e nce  of   W CN  a nd  MS N  can  al s o  benefit   each  ot her :   (I)  F or  WSN,  t he  MC N  ca n  pro vid e   opti m iz at ion   to  prolo ng  WSN  li fe   tim e,  prov i de  qual it y  of  ser vice  (Qo S)   a nd   i m pr ove  sye te m   per fo rm ance ;  (I I )  F or  MC N,   WSN  ca n  e xten d  the  i ntell igent  a pp li cat ion   ra ng e   of  M CN,  i.e.   WSN   can  pro vi de  real - ti m e  measur em ent  res ults  to  MC N  use rs.   M 2M  co m m un ic at ion   is  base d  on  ub i qu it ou s   te chnolo gy  of  WSN  a nd  MC N,   w hich   use s   the  cel l ular  s yst e m   as  the  ba ckbo ne  of  th e  net work.  T he   tw o  heter og e ne ou s   netw orks   WSN  an d  MC N,  c om e  tog et her  f or  the   c onverge nc e  to   s upport   th e  data   ce ntric  s erv ic e s   and ap plica ti on of M2M c om m un ic at ion .   Conver ge nce  of  WSN  a nd  MC N  is  a n  e m erg in g  resea rch  fiel d  in   w irel ess  com m un ic at ion  [ 7].   The  li te ratur e   exp l or es  fe w  researc hes  on  the  issues  of  WSN  an d  M CN  co nver gence  ne tw ork  with  it s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1 159   –   1 170   1160   app li cat io n  ori ented  im ple m e ntati on   [8 - 11] .  The  idea  of   c onve r ging  WSN  and   MC N  an d  it s  com par ison   wit h  the  inte gr at e d  netw ork   of  W SN  an d  MC N   is  gi ven  in   [12 ] .  H oweve r  t he   integ rati on  of  WSN  a nd  MC N  has   been  al rea dy  im ple m ented  thr ough  the   ga te way.  I n  the   integr at ed  W SN   a nd  MC N ,  the  a rch it ect ur e  i s   hierar c hical   an d  the  gateway   is  j us t  a  data  channel  to  e xc hange  in f or m a ti on   bet ween   t he  tw o  in dep e nd e nt   protoc ol  sta ck s.  I n  WSN  an d  MC N  c onve rg e nce  netw ork  t he  ga te wa y  play s  an  im portant  ro le   f or   t h e  conve rg e nce  of  tw o  netw ork s.  T her e fore,   ga te way  sel ect ion  in  t he  c onve rg e nce  netw ork  is   com ing   out  as  a   researc h  issue s   w hic h  nee d  to   be   a ddres sed   [ 13 ] .   T he   opti m al   gate way  sel ect ion  m echan ism   sel ect s  the  m os t   appr opriat e g at eway f or integ r at ion   of  WSN  a nd MC N [ 14, 15].                                                     Fi gure  1.   Data  flo w  in  a  WSN - MC N conve rg e nce  ne twork       The  flat   arc hitec ture  of  c onve rg e nce  netw ork   as  c om par ed  to   hierar c hic al   of  inte gr at e d  WSN  a nd   MC N  netw ork   is  go i ng  to  be  help fu l  for  higher  re sea rch   [ 6] .  The  a dv a nta ges  of   t he  flat   arch it ect ure  in cl ud es   the  sens or  no de s  to  over hea r  the  direct  c on t ro l  sig nalli ng   f ro m   the  base  s ta ti on   of  MC N   wh e re  as  MC N  can  directl y  con t rol   the  eff ic ie ncy   of   WSN.  For  r eal   converge nc e,  the  data  cha nn el s  betwee n  tw o  protoc ols  s ta cks   need  to   be   im plem ented  f or  inf or m at ion   e xc hange.   F or  s m oo th  ex cha nge  of  c ontr ol  s ign al li ng  s om e   cr os s - MAC  shou l d  be   desig ned.  Co ns ide rin g  the  he avy  traff ic   ge ner at e d  from   WSN  as  well   a s  MC N  in  co nverg e nce   netw ork,  the   MAC  la ye r   of   co nver ge nce  netw ork   re qu i r es  new  re sour ce  al locat io n  s chem e  to  ac hieve  t he   Qu al it y  of  Service   ( QoS).  A  cell ular  assist ed  Q ualit y  of   Se rv ic e  ( Q oS)  res ource  al locat io n  al gorithm   has  be e n  pro po se d  t o  re du ce   colli sio n  by  ta king  t he  m ob il e  te r m ina l  as  gateway  w hich  a ct s  a s  se r vice  sc heduler  for  high   pr i or it y ser vice  [16 - 19] .   WSN  ge ne rates  a  huge  am ount  of  data  on   ti m el y  basis  wh ic h  nee d  to  be  t ran sm it te d  by  t he  gate way   MS  to  th e  base   sta ti on .   But  in   the  c onve rg e nc e  netw ork   MC N  com pone nt  is  m ai nly  resp on si ble  f or  rea lt i m e   data  tra ns m issio n  f or  voic e  ca ll s  an d  vid e os  r at her  tha n  t he  da ta   transm issi on   i n  WSN   com pone nt.  So  to   ha nd le   the d at a  tra ff ic  in  c onve rg e nce   net wor k  t her e  is  a n ee d  f or  da ta   traf fic  c on t r olli ng  pr ocess   to  m ai ntain  the  Q oS   for  MC N  as  w el l as  W S N.   In   t h is  pa pe r,   we  ha ve  f ocu s ed  on   t he  data  flo w  in  t he  MAC  la ye r  of  W SN   a nd  MC N  conve rg e nc e   netw ork  for  Q oS   m anag em e nt  [ 20] .  W e   ha ve  c onsidere d  pr eem ptive  an d  non  preem pt ive  que uing  m od el   by   giv in g  em ph as is  on  the   pri ori ty   of  d at a p ac ke t  to  e nter  i n  to   the queu e . W e   ha ve  pro po s ed   a  pri ori ty   an d  a  no n  pr i or it y  base d  qu e uing  m od el   f or   WSN  a nd   MC N  c onve r gen ce   net wor k  w her e   in  ca se   of  pr io rity ,  MC N  is  ta ken   as  highe r  an d  WSN  is  of   l ow e r  pri ori ty   as  sh own  i n  Figure   1.   QoS   par am et ers  in  MAC  la ye r  suc h  as  pro bab il it y  o f  dro pp i ng   data  pack et s ,  pr ob a bili ty   of   data  pack et   i n  se rvi ces  of   WSN  and  MC N  has   be e n  analy zed m at he m at ic ally with   nu m erical  r e su lt s.    The   rest   of  t he   pa pe r  is   or ga nized   as   f ollo ws:  Sect i on  2  descr i bes   the   pro po se d  syst em   m od el   for  pr i or it y  and   non  pr i or it y  ser vices.  I n  Sect i on   3,   we  stu di ed  the  pe rform ance  factors   of   MC N  a nd  W S N  conve rg e nce.  F inall y, we  c onc lud e  our  work i n  Sect io n 4.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       QoS  M anage m ent in W SN - M CN  Con ver ge nc e Net work  Us ing   Priorit y B ase d  T ra ff ic ... ( Anita  Swa i n )   1161   2.   S YS TE M MO DEL DES C RI PTION     W e  c onsider  a   two  pr io rity   syst e m   m od el   fo r  WSN - MC N   Conver ge nce  netw ork,   wh e r e  MC N  data  pa ckets  c onsid ered   bein g  the  highest  pri ori ty   and   WSN  da ta   pack et s  c onsidere d  to  be  the  lo west  pri or it y  for   serv ic e   at   m ob i le   syst em   (MS).   T he   pac ket s   a rr ival   f or  both   MC N a nd  WSN  f ollow  a   P oisson  proces s  at   a   rate   λ h   an d  λ l   re sp e ct ively .  Data  pa ckets  of  both   MC N  an d  WSN  get  se rv e d  by   the  m ob il e  sta ti on   of  m ob il e  cel lular   netw ork  a nd  t he  se rv ic e  ti m e  is  an   ex pone ntial ly   distrib uted  ra ndom   var ia ble  with   m ean  1/ μ h   an d  1/ μ l   resp ect ively .  T he  data  traf fic  of   both  t he  net works  offer e d  t o  the   que ue  if  t he  se rv ic e  poin t  is  consi de red   to  be   bu sy.  The  t raffic   load  is  de note d  by  ρ i   =  λ i   /  μ i ,  w her e  i =h  or  l,  dep e nds  on  MC N  or  WSN   data  s erv ic e   resp ect ively .   A  m ob il e  dev i ce   is  as su m ed  to   be   e qu i pp e d  with   a  m e m or y  siz e  of  N  (buffer   s pace   hav i ng   N=  1,  2…..   N )   to   ho l d  inc omi ng  data  packet s  in   a   qu e ue   ( both   f r om   MC N  a nd  WSN)   ti ll   they   get   proce ssed.  Wh e n  t he qu e ue  size i s equal t o N,  t he  inc omi ng   data  pac kets are d rop ped.           Figure  2. Stat e  transiti on d ia gra m  f or   non - pr e e m ptive prio rity  syst e m       In   t his  pa pe r  Q oS   m easur em e nt  is  done   by  a naly zi ng   t he  ar rival  m echan ism ,  serv ic e  m ec han ism   a nd   buff e rin g  m echan ism   to  reduc e  data  dro pp i ng  an d  wait in g  tim e  in  the  data  qu e ue  [ 21] .  He re  we  hav e  pro po s ed   a  no n - pr e em pt ive  pr i or it y  a nd  preem ptive  pr i or it y  m od el   with   2 - Pr i or it y  finite   buf fer  qu e uing   syst em .  Th e   resu lt s  of both   the m od el s ar e   com par ed  a nd  discusse d i n n um erical  secti on.     2 . 1.   Analysis  of Non - Preem p tive  Pri orit y Mode l   I n  this   m od el   we  assum e  a   non - pr eem ptive  pr i or it y  syst em ,  where   the   ongo i ng  se r vice  of  WSN  dat a   is  al lowe d  t o  c om plete   it s  serv ic e  e ven  if   a  high  pr i or it y  MC N  da ta   ar rives  t o  t he  m obil e  dev ic e   f or  s erv ic e .   The  MC N  data  adm it s  into  th e  queu e  a nd  w ai t  un ti l  the  ser vice  po i nt  is  f r ee.  He re  we  co ns ide r  a   tw o  pri or it y   syst e m  w it h buff e r  ca pacit y N  =  2. Stat e tra nsi ti on   diag ram  f or t he  a bove   m od el  u sin g M arko v  c hain  is  sho w n  in Figu re  2.  T he  steady st at e  pro ba bili ti es are d e rive d usin g balance d  e quat io ns.   Let   P  i,  j ,   k  be   the  sta te   pr ob a bili ti es  wh e re  i   (i=0 ,1,2,.. .)   de no te s   the  sta te   of  lo w  pr io rity   WSN  data,   j   ( j =0 ,1,2,.. .)  de no te s   the   sta t e  of   hi gh  pr i ori ty   MC N  data  and  k  de note s  the  c urre nt  se r vice  sta tu s  of  data  i.e .   MC N  or  WSN  data.  The   value   of  k = 1,  de note s  WSN  data  a nd  k= 2,  de note s  MC N  data.  Th e  al gorithm   for   data   flo w  in  Non  P r ee m ptive  pr i ori ty   m od el   is  presented  i n  al go rithm   1.   In   t his  al gorithm   we  hav e  i niti al iz e d  the   syst e m   at   init i al   sta te   wh en  tim e  t= 0  and   t he  m ob il e  sta t ion   is  f ree.  T he   bu ff e r  ha s  e m pt y  sp ace  to   adm i t   requesti ng  MC N  or  WSN  se r vice.  When   a  new  re quest   is   adm it te d  to  queue   the   c urre nt  sta tus   of  qu eue  is   increase d by one.  I n  case t he buffe r  is  f ull t he  n et w ork  r e quest  is drop ped.    Using  pro bab il ist ic  arg um ent  we ob ta in  the  fol lowi ng b al a nc ed  e qu at i on s:     0 0 , 1 , 2 1 , 0 , 1 h l h l P P P                                                                                                        (1)     0 , 1 , 2 0 , 2 , 2 1 , 1 , 1 0 l h h h l h P P P P                                                                           ( 2)     1 , 0 , 1 0 1 , 1 , 2 2 , 0 , 1 l h l l h l P P P P                                                                         ( 3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1 159   –   1 170   1162   0 , 2 , 2 0 , 1 , 2 hh PP                                                                                                                                      ( 4)     1 , 1 , 2 0 , 1 , 2 hl PP                                                                                                                                       (5)     1 , 1 , 1 1 , 0 , 1 lh PP                                                                                                                                          ( 6)     2 , 0 , 1 1 , 0 , 1 ll PP                                                                                                                                         ( 7)     So lvi ng for i nd ividu al   sta te  pr ob a bili ti es, let  u s ass um e :     2 , 0 , 1 P   =  k   1 , 0 , 1 P   =  l l k   1 , 1 , 1 P   =  h l k   0 P   =  2 () () l h h l l l h l l h h k     0 , 1 , 2 P   =  2 () () l h l h l l l h h k     0 , 2 , 2 P   =  2 2 () () l h l h l l h l h h k     1 , 1 , 2 P   =  () () l h l h l l h l h h k       Using  norm al i zat ion  c onditi on  for  the  equati on as :     0 0 , 1 , 2 1 , 0 , 1 0 , 2 , 2 1 , 1 , 2 1 , 1 , 1 2 , 0 , 1 1 P P P P P P P   Wh e re  k  =  1 +  h l   +  l l   +  lh lh r     +  2 2 lh lh r     +  2 lh l r    +   2 () () l h h l l l h l l h h     And r =  l h l l h h          Algori th m  1   Algorithm  f or  Mob il e Stat io n (MS)  A ll ocati on U si ng No n Preem ptive prior it y M odel     MS (t)  is  the i ni ti al   Stat e o f  th e MS at  Tim e t =0  a nd Que ue Si ze <N   If  MC N Data  S erv ic e  request t hen   Allocat e to  MS  for   Ser vice;   MS is B us y;   Else   If  MS  is Bu sy  AND  MC N  Re qu e st OR  WSN Re qu est  t he n   Qu e ue  t he  Re quest ;       N=N + 1;           Else   Drop the  Req ue st;   En d  if   En d  if   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       QoS  M anage m ent in W SN - M CN  Con ver ge nc e Net work  Us ing   Priorit y B ase d  T ra ff ic ... ( Anita  Swa i n )   1163   If   WSN  Data   S erv ic e  request t hen   Allocat e to  MS  for   Ser vice;   MS is B us y;                Else       If  MS  is Bu s y AND  WCN   Re qu est   OR M SN  Re quest  th en   Qu e ue  t he  Re quest ;   N=N + 1;   Else   Drop the  Req ue st;   En d  if   En d  if       2 . 2 .  Perf orm ance  Ind ic es  (N on - Preem p tiv e Pri orit y M odel )   In   t his  sect io n  var i ou s   pe rform ance  m a tric es  cal culat ed  t o  m ai ntain  QoS  of   t he  syst em .Th e  prob a bili ty  that  arr i ving  da ta   pack et s   f ro m   MC N  a nd  WSN  is  dro pp e d  due  to   busy  m obil e  sta ti on   an d  buff e r  s pace  i n  qu e ue   is fu ll  is  de no te d  as  P D   ( non - pree m ptive):     P D ( non − preem ptive )  =  P (0,2,2)   +  P (1,1,1)   +  P (2,0,1) +  P (1,1,2) .     The pr obabili ty  that m ob il e stat ion  is  bu sy i n  se rv i ng lo w pr i or it y  W S N data  p ac kets  w it ho ut  pr eem ption  is:     P ws n   =  P   (1,  0, 1)   +  P   ( 2, 0,  1)   +  P   (1,  1, 1) .     The pr obabili ty  that m ob il e stat ion  is  b us y i n  se rv i ng at le a st o ne  MC N  d a ta  p acket  is:     P m cn   =  P   ( 0, 1, 2)   +  P   (0,  2,   2)   +  P   ( 1, 1,  2) .     Wh e n  t he  m obil e  dev ic e  is  busy,  a rr i ving  MC N  an d  WSN  data  pa c kets   has  t o  wait   in   the  qu e ue.   The wai ti ng ti m e in queu e  is  denoted  as  W q  (non - Pr eem ptive)   an d  ca n be  expresse d  as     W q ( non  −  Preem pt iv e )   =  P (0,2,2)   +  P (1 ,1,1) +  P (2,0,1)   +  P (1,1,2) .     2 . 3 . An aly sis  of Preem pt ive   Pri ority  Mode l   In   WSN - MC N   co nv e r gen ce   netw ork,  MC N  data  pac kets   ha ve  it s  pri ori ty   ov e r  WSN  data  pac kets  because   of  it s  r eal   tim e  app li c at ion .   He nce,   WSN  data  pa c kets  ca n  be   del ay ed  by  passing  t he  MC N  dat a  on   a  pr i or it y  basis.  Hen ce   a  pree m pt ive  pr i or it y  m od el   has  be en  intr oduc ed   to  ha ndle   the   pr eem ption   of  WSN   pack et s  w hich  are  cu rr e ntly   in  serv ic e,  upon  a rr ival  of   MC N  data.  I n  this  m od el   the  ser vice  t i m e  is  exp o nent ia lly  distrib uted   a nd  it   will   sat isfy  m e m or y  le ss property,   he nce  the r esults   will   be   sam e  f or  pr ee m ptive  re sum e  an d  pr eem ptive  non  res um e  case.  I n  t his  m od el   bo t h  MC N  a nd   WSN  data  are   adm it te d.   If  M CN  data  is   in  s erv ic e   and   WSN  data   requests  for  se rv i ce  the n  it   wi ll   wait   in  queu e  ti ll   m ob il e  st at ion   gets  f ree.   And  if   the  queue  is   fu ll ,   the n  t he  re qu e sti ng  WSN  data  a re  dro ppe d.  O n  the   ot her  ha nd  i f  MC N  data  a rr iv es  for   ser vice,   it   pree m pts   the on go i ng se rv ic e  of  WSN  data w hich  w il l l os e f r om  the p r ocess .           Figure  3. Stat e  transiti on d ia gra m   fo r  preem ptive prior it y sy stem   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1 159   –   1 170   1164   We  c on si der  a  two  pr i or it y  syst e m   with  buf f er  ca pacit y  N  is  eq ual  to  2.  T he  sta te   tra ns it ion  dia gr am   for  the  a bove  m od el   us ing   M arko v  chai n  is  sh ow n  in  Fig ure  3.   Indivi du al   sta te   pr ob a bili ti es  can  be   re presente d  as  P  i,j  w he re  i  (i=0,1, 2, . ..)  de no te s  the  sta te   of   lo w  pr io rity   W S N  data  an d  j   (j = 0,1,2, ...)   denotes  the  st at e  of  high  pri or it y  MC N  data.  Th e  al gorithm   for   data   fl ow  in   P r ee m ptive  pr io ri ty  m od el   is   pre sented   in   al gor it h m   2.  This  al gorithm   discuss e d t he  syst e m   is  a t  ini ti al   sta te wh en  tim e t= 0 and   th e m ob il e  sta ti on   is  fr ee . T he s yst e m   consi ders  pr io r it y  m e tho d wit h pr eem ption   f or MC N  a nd  WSN se rv ic e  r equ e st.   Fo r   WSN  no  preem ption   is   pe rm i tt ed  but  for  MC N   th e  on go i ng  se rv ic e   o f   WSN  is   pre e m pted  from   the  syst e m .  The  buff e r  ha s  em pt y  sp ace  to  adm i t  req uesti ng   MC N  or  WSN   se rv ic e.  W hen   a  ne w  re quest   is   adm i tt ed  to  th e  qu e ue  t he  cu rr e nt  sta tus  of   qu e ue  is  inc re ased  by  one.  I n  case  the  buf f er  is  f ull  the  ne twork   request is  dro pped .   U sin g pro bab il ist ic  arg um ent  the stea dy stat e  b al ance d eq ua ti on s a re as  foll ow s:     0 0 , 1 1 , 0 l h h l P P P                                                                                                                                                          (8)     0 , 1 0 , 2 0 l h h h h P P P                                                                                                ( 9)     1 , 0 2 , 0 1 , 1 0 l h l l h l P P P P                                                                                                                 (10)     1 , 1 1 , 0 1 , 2 0 , 1 l h h h h l P P P P                                                                                                              (11)     1 , 2 1 , 1 0 , 2 h h l P P P                                                                                                                                                                                (1 2)     2 , 1 1 , 1 2 , 0 h l h P P P                                                                                                                                                                               (1 3)     0 , 2 0 , 1 l h h PP                                                                                                                                                                                  (14)     2 , 0 1 , 0 2 , 1 h l l h P P P                                                                                                          ( 15)     So lvi ng for i nd ivid ual  sta te  pr ob a bili ti es, let  u s ass um e,     0 , 2 P   =    k     0 P   =  2 2 2 2 () l h l h h k    0 , 1 P   =  ) ( lh h k    1 , 0 P   =  l h h h l h lh kM       1 , 1 P   =  kL   2 , 0 P   =  2 ( ( ) ( ) L l l h h h l h l h lh kM    1 , 2 P   =  ( L ) lh h k    2 , 1 P   =  l h h h l h lh h l l h M k LL              Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       QoS  M anage m ent in W SN - M CN  Con ver ge nc e Net work  Us ing   Priorit y B ase d  T ra ff ic ... ( Anita  Swa i n )   1165   0 , 3 P   =  h h k   3 , 0 P   =  2 2 l h h h l h l l l h M k L        Using  norm al i zat ion  c onditi on  for  the  abo ve  equati ons as:     0 0 , 1 1 , 0 1 , 1 0 , 2 2 , 0 1 , 2 2 , 1 0 , 3 3 , 0 1 P P P P P P P P P P     Wh e re,     M =  2 22 2 l h l h h     a nd L =   l h h l l h h l h l l h l M      K=  1 1 1 1 1 l h l h h h l h l h l h h l h h l h l l h M MM            Algori th m  2   Algorithm  f or  Mob il e Stat io n (MS)  A ll ocati on U si ng P ree m pt ive prio rity  Mod el     MS ( t) is  the i ni ti al  Stat e o f  th e MS at  Tim e t =0  a nd Que ue Si ze <N   If  MC N Data  S erv ic e  request t hen   Allocat e to  MS  for   Ser vice;   MS is B us y;   Else   If  MS  is Bu sy i n  Se r ving MC N  Re qu est   A N D Ar riving M CN Req uest  O R  W S N  Re qu e st t hen   Qu e ue  t he  Re quest ;   N=N + 1;   Else   D r op the  Req ue st;   En d  if   En d  if   If   WSN  Data S erv ic e  request t hen   Allocat e to  MS  for   Ser vice;   MS is B us y;   Else   If  MS  is Bu sy i n  Se r ving  WSN Re qu est   A N D Ar riving M CN Req uest t he n   Pr eem pt the WSN Ser vice a nd  Allow M CN  in to Ser vice;   Else   If  MS  is Bu sy i n  Se r vi ng  WSN Re qu est   A N D Ar riving  W SN  Re quest  th en   Qu e ue  t he  Re quest ;   N=N + 1;   Else   Drop the  Req ue st;   En d  if   En d  if   En d  if        2 . 4 .  Perf orm ance  Ind ic es  ( P reem pt ive  Pri orit y Model )   The  perf or m ance  m a tric es  re qu i red  f or  Q oS  m easur em en t  has  bee n  cal culat ed.   The   pro ba b il it y  of  arr ivi ng   data  pa ckets f ro m  MC N  an d WS N  is dro pp e d du e   to busy m ob il e stat ion  and  buff e r  sp ace  in q ueu e is  fu ll  is  denote d as P D(preem pt ive) :      P D   ( Pree m ptive )  =  P   (1, 2)   +  P   (2, 1)   +  P   (0, 3)   +  P   (3, 0).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1 159   –   1 170   1166   Pr oba bili ty  that the m ob il e stat ion  is  bu sy i n serv i ng lo w pr i or it y  WSN d at a p ac kets is:     P wsn   =  P   (1, 0)   +  P   (2, 0)   +  P   (3, 0).     Pr oba bili ty  that the m ob il e stat ion  is  busy i n serv i ng at le ast  one MCN  d at a  p ac ket is:     P m cn   =  P   (0, 1)   +  P   (1, 1)   +  P   (2, 1).     Wh e n  t he  m ob il e d evice i s  busy i n  ser v in g d at a p ackets , arr iving M CN a nd  WSN d at a  pa ckets h a s to   wait   in   the   qu e ue  i f  t he  queue   is  not  f ull.  Th e  wait in g  ti m e   in   que ue  is   de no te d  by        W q  (Pree m ptive)   and   ca n  be   cal culat ed  as:     W q  ( Preemp tive )  =  P (1,2)  +  P (2,1)  +  P (1,1)  +   P (0,2)  +  P (2 ,0)  +  P (0, 3)   +  P (3,0).       3.   NU MER IC A L  RES ULTS    In  this secti on  nu m erical  an al ysi s o f  both t he   m od el s ar e presente d.  T he QoS o f  the pr opose d  m od el s  hav e   bee n  ach ie ved   by  e valu at ing   th e  perform ance  par am et ers.   T he  pe rfor m ance  is  e va luate d  i n  te r m s  of   dro pp i ng  probabil it y  ( P D ),  pr ob a bili ty   of  hi gh  (MCN)   pr i ori ty   an d  l ow  ( WSN)   pr io rity   data  i n  t he  syst e m   an d  wait ing   ti m e  ( Wq)  of  the  dat a  pack et s  in  t he   qu e ue.   T he  para m et ers  ta ken   f or   Fi gure  4  to  F igure  11  a re  μ l   =  1. 0;   μ h  = 1.0;  λ l   =  0.5; λ h   =  0.1 t o 1 .0 .   Figure  4  an d  F igure  5  represe nts  the   beh a vi or  of  dro ppin g  pro ba bili ty   P D   with   res pect  t o  i ncr easi ng  MC N  data  tra ffi c  load   f or  bo t h  no n - pr eem ptive  an d  preem pti ve  case s  res pec ti vely .  It  ca n  be   obse r ve d  that   with   the  inc reasin g  traff ic   l oad  of   MC N  data,   droppin g  pro ba bi li t y  increases   for  bo t h  t he  m od el s .  But   by  var yi ng   the tra ff ic  loa d  of  WSN t he  dr opping   prob a bi li ty  d ecreases   with  dec rease   of  WSN   data  tr aff ic .  Fi gure  4  sh ows  a  lower   value   of   probabil it y  of   dro ppin g  for  non - pr ee m pt ive  m od el   com par ed  to   pr eem ptive  m od el   in     Figure   5.  This   is  due   to   the   fa ct   that  data   pa ckets  a re   ser ve d  with out  pr ee m pt ion .   Hen ce ,  by  c hoos i ng  pro pe r   data traf fic loa d o f   WSN ,   dro pp i ng pr ob a bili ty  can  be  m ini m iz ed  to m ai nt ai n  Q oS.       Figure  4. Tra ffi c intensit y o f M CN V s  pr obabili ty  o f dro ppin g for  non p r ee m ptive prio rity   m od el       Figure  6  an d  F igure  7  de picts  the  pro ba bili t y  of  ser vi ng  WSN  data  in   t he  syst em   fo r   var i ou s   WSN  traff ic   l oad   with  re sp ect   t o  M CN  traf fic  inte ns it y  in  case  of  no n  pr eem ptive  a nd   preem ptive  pr i or it y  m od el   resp ect ively .   It   can   be  see n  th at   with   inc reas e  of  MC N  tra ffi c  load   probabi li ty   of   se rv i ng  WSN  data  decre ases   for  both   the   m od el s .  T his   is d ue  t o  co ntin uous  ser vice of MC N  data  i n  non - pr eem ptive p ri or it y  m od el  w it hout   pr eem ption  of  WSN  data  w he re  as   WSN  da ta   preem pted  in  pr eem ptive  pr i o rity   m od el   due   to   hi gh  pri or it y  MC N  data.  I n  Figure   7,  pr ee m pt ive  pri ori ty   m od el   s hows   higher   nu m ber  of  WSN   data   serv ic e   in   com par is on  with  non  pree m pt ive  pri ori ty   m od el   in  Fig ur e   6  wh ic h  in creases  t he  W SN   data  ser vice.  Hen ce ,  pr ee m pt ive   pr i or it y m od el  can   ac hieve  th e b et te r Q oS   for  MC N  a nd  W SN   by m ai ntain in g  a  balan ce d WS N  tra ff ic .   The   pro ba bili ty   of  MC N   data  is  in   se rv ic e   in crease  with   inc rease  i n  MC N  t raffic   inte ns it y  is  sho wn  i n  Figure  8  a nd   Figure  9  f or  non - pr eem ptive  pr i or it y  m od el   and   preem pti ve  pri o rity   m od el   res pecti vel y.  It  is   ob s er ved   t hat  the  pr ob a bili ty   of   se r ving  MC N  data  i ncr eas es  with  inc reas e  in  MC N  tra f fic  load  f or   bo th  the   m od el s.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       QoS  M anage m ent in W SN - M CN  Con ver ge nc e Net work  Us ing   Priorit y B ase d  T ra ff ic ... ( Anita  Swa i n )   1167     Figure  5. Tra ffi c intensit y o f M CN V s  pr obabili ty  o f dro ppin g fo r pr eem ptive  pr i or it y  m od el         Figure  6. Tra ffi c intensit y o f M CN V s  pr obabili ty  o f WS N  d at a in  servic e     for   non p reem ptive  pr i or it y  m od el       Figure  7.   Tra ffi c intensit y o f M CN V s  pr obabili ty  o f WS N  d at a in  servic e  for   preem ptive   pr i or it y m od el       As  MC N  data  hav e   hi gh e r  pr i or it y  in  preem ptive  pr i or it y  m od el   he nce  wit h  adm issi on   of   m or e  nu m ber   of   MC N  traf f ic ,  W S N  data  is  pr eem pted  w hi ch  inc reases  th e  pro bab il it y  of  ser ving  MC N   data  as  pr ese nt ed  in  Figure   8.  I n  no n - pr eem ptive  pri or it y  m od el   pro ba bili ty   of  se rv i ng  MC N   data  inc reases   if   MC N  data  a dmi ssion  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1 159   –   1 170   1168   increases   in   num ber s  as  i n  Figure   9.  B ut  with  i ncr eas e  of  WSN  data   inte ns it y,  se rv i ng  MC N  data  dec reases   i n  bo t h  m od el s. No n pr eem ptive p ri or it y  m odel  in  Figure  8  s hows  li tt le  d ecrease in se rv i ng MC N data  co m par ed   to  ser ving  MC N  tra ff ic   in   Fi gure  9  as  WSN  da ta   are  pr e e m pted  f ro m   serv ic e  i n  pree m pt ive  pr i or it y  m od el   wh ic h  s hows  a  bette r  re su lt .       Figure  8. Tra ffi c intensit y o f M CN V s  P rob abili ty  o f  MC N data  in se r vice f or   non p ree m p t ive prio rity  m od el           Fig ur e  9. T raffic  intensit y  of   MC N  Vs  pr obabili ty  o f  MC N data  in se r vice f or   preem pti ve    pr i or it y m od el         Figure  10. T raffic  intensit y  of   MC N,   WSN  V s  wait ing  ti m e in queu e  for n on  pr eem ptive pri or it y  m od el   Figure  11.   T raffic  intensit y  of   MC N,   WSN  V s  wait ing  ti m e in queu e  for p ree m pt ive prio rity  m od el   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.