I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   6 Dec em b er   201 7 ,   p p .   2 9 5 8 ~ 2 9 6 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 6 . p p 2 9 58 - 2969          2958       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Q o b a sed  Ad m is sio n Contro u sin g  Multipa th  S che duler f o r  IP  o v er Satellite  Netw o rk s       L u k m a n Auda h 1 ,   Z hil i Su n 2 ,   H a it ha m   Cruic ks ha n k 3   1 W irele ss   a n d   Ra d io   S c ien c e   Ce n tre (W A R A S ),   F a c u lt y   o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,     Un iv e rsiti   T u n   Hu ss e in   O n n   M a lay sia ,   P a rit   Ra ja,  8 6 4 0 0   Ba tu   P a h a t,   Jo h o r,   M a lay sia   2, 3 In stit u te f o Co m m u n ica ti o n   S y ste m s (ICS ),   Un iv e rsity   o f   S u rre y ,   G U2   7 X H,   S u rre y ,   Un it e d   Ki n g d o m       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   2 8 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Sep   1 2 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Sep   3 0 ,   2 0 1 7     T h is  p a p e p re se n ts  a   n o v e sc h e d u l in g   a lg o rit h m   to   su p p o rt  q u a li ty   o f   se rv ice   (Qo S f o m u lt ise rv ic e   a p p li c a ti o n o v e in teg ra ted   s a telli te  a n d   terre strial  n e tw o rk u sin g   a d m iss io n   c o n tro sy ste m   w it h   m u lt ip a t h   se lec ti o n   c a p a b il it ies .   T h e   a lg o rit h m   e x p lo it th e   m u lt ip a th   ro u ti n g   p a ra d ig m   o v e r   L EO  a n d   G EO  sa telli tes   c o n ste ll a ti o n   in   o rd e to   a c h iev e   o p ti m u m   e n d - to - e n d   Qo S   o f   th e   c li e n t - se rv e In ter n e a rc h it e c tu re   f o HTT P   w e b   se rv ice ,   f il e   tran sf e r,   v id e o   stre a m in g   a n d   Vo I P   a p p li c a ti o n s.  T h e   p r o p o se d   m u lt ip a th   sc h e d u ler  o v e th e   sa telli te  n e t w o rk a d v o c a tes   lo a d   b a lan c in g   tec h n iq u e   b a se d   o n   o p t im u m   ti m e - b a n d w i d th   in   o r d e to   a c c o m m o d a te   th e   b u rst  o a p p li c a ti o n   traff ics .   T h e   m e th o d   tri e to   b a lan c e   th e   b a n d w id th   lo a d   a n d   q u e u e   len g t h   o n   e a c h   li n k   o v e sa telli te  in   o r d e to   f u lf il   th e   o p ti m u m   Qo S   lev e f o e a c h   tra ff ic  t y p e .   Eac h   c o n n e c ti o n   o f   a   traff ic  t y p e   w il b e   ro u te d   o v e a   li n k   w it h   th e   lea st  b a n d w id th   l o a d   a n d   q u e u e   len g th   a c u rr e n ti m e   in   o rd e to   a v o id   c o n g e stio n   sta te.  T h e   m u lt ip a th   ro u ti n g   sc h e d u l in g   d e c isio n   is   b a se d   o n   p e c o n n e c ti o n   g ra n u lar it y   so   th a p a c k e re o rd e rin g   a th e   re c e iv e r   sid e   c o u l d   b e   a v o id e d .   T h e   p e rf o rm a n c e   e v a lu a ti o n   o f   IP   o v e sa telli tes   h a b e e n   c a rried   o u t   u sin g   m u lt ip le  c o n n e c ti o n s,  d if f e r e n f il e   siz e a n d   b it - e rr o r - ra te (BE R)  v a riatio n s to   m e a su re   th e   p a c k e d e lay ,   lo ss   ra ti o   a n d   th ro u g h p u t .   K ey w o r d :   A d m is s io n   co n tr o l   I P   o v er   s atellites   Mu ltip at h   s c h ed u ler   Net w o r k   s i m u lato r   ( NS - 2)   Qu alit y   o f   s er v ice  ( Qo S)   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .     Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   L u k m a n   A u d a h ,     W ir eless   an d   R ad io   Scie n ce   C en tr ( W AR A S),   Facu lt y   o f   E lectr ical  a n d   E lect r o n ic  E n g i n ee r i n g ,     Un i v er s iti T u n   H u s s ei n   On n   Ma la y s ia,   P ar it R aj a,   8 6 4 0 0   B atu   P ah at,   J o h o r ,   Ma lay s ia.   E m ail:  h an if @ u th m . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   Satellite c o m m u n icatio n   h a s   ev o lv ed   tr e m e n d o u s l y   s i n ce   th e   lau n c h ed   o f   Ka - Sat  to   th s p a ce   o r b it in   2 0 1 0 .   T h s atellite  s er v ice s   p r o v id u b iq u ito u s   I n ter n et  co n n ec t iv i t y   to   m o s p eo p le  ar o u n d   th w o r ld   w i th   b r o ad b an d   d ig ital  m u lt i m ed ia   co n ten t s .   I n ter n e u s er s   ar p r o v id ed   w it h   th h i g h - s p ee d   tr ip le - p la y   s er v ice s   w it h   g u ar a n teed   Qo S.   A lt h o u g h   th s atellite  n et w o r k   h as  s u cc e s s f u ll y   o v er co m th d ig ital  d i v id in   co m m u n icat io n   s y s te m ,   it  s till   h as  li m itat io n   i n   ter m   o f   b an d w id t h   co n s tr ai n t.  T h is   li m itatio n   w i ll  b ec o m th m ai n   o b s tacle   to   s u p p o r th f u t u r I n ter n et  s er v ices  ( e. g .   5 an d   b e y o n d )   w h ic h   co n s i s o f   b illi o n s   o f   co n n ec ted   h eter o g e n eo u s   d ev ices.  T h is   i s s u h as  b ee n   d is cu s s ed   s i n ce   lo n g   ti m ag o   an d   m an y   s o lu tio n s   h a v b ee n   i m p le m en ted .   On e   o f   th e   s u g g e s ted   m et h o d   is   th r o u g h   e f f icien b an d w id t h   s h ar i n g   a cr o s s   t h s a tellite s   n et w o r k   s y s te m .   T h e f f icie n t   b an d w id th   s h ar in g   co n ce p a d o p ts   th lo ad   b ala n ci n g   tech n iq u e   to   r ed is tr ib u t e   th tr a f f ic  lo ad   ( e. g .   lin k   b a n d w id t h   u tili za tio n )   ac r o s s   t h e n tire   n et w o r k   th r o u g h   e f f icie n m u ltip at h   r o u tin g .   P r ev io u s   r elate d   s tu d ie s   o n   lo a d   b alan cin g   tech n iq u [ 1 ]   o n l y   f o cu s in g   o n   t h L o w   E ar t h   Or b it ( L E O)   s atellite   n et w o r k   u s i n g   t h lo w   d ela y   r o u tin g   alg o r it h m .   Ot h er   p r ev io u s   r elate d   s tu d ies  [ 2 - 4 ]   ap p lied   lo ad   b alan cin g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Qo S   b a s ed   A d mis s io n   C o n tr o l u s in g   Mu ltip a th   S ch ed u ler fo r   I P   o ve r   S a tellite Netw o r ks  ( L u kma n   A u d a h )   2959   u s i n g   e f f icien m u ltip ath   r o u t in g   ac r o s s   m u ltip le   o r b ital  la y er s   o f   L E a n d   Geo s y n ch r o n o u s   E ar t h   Or b it   ( GE O)   s atellite  n et w o r k s .   T h s tu d y   h as  e f f ic ien t l y   r ed u ce   t h tr af f ic  co n g esti o n   w it h in   t h s atellite  n et w o r k s   th r o u g h   r o u ti n g   tech n iq u e s   b u t th b u r d en   o f   r o u tes  s elec tio n   a n d   p ac k et  p r o ce s s i n g   ar p lace d   o n   th s atellit e   n o d es.  Fu r t h er m o r e,   t h s t u d i es  d id   n o tak in to   co n s id er at io n   th s p ec if ic  Qo r eq u ir e m en ts   o f   ea ch   tr af f ic  t y p f o r   th r o u ti n g   s elec tio n .   An o th er   p r ev io u s   r elate d   s t u d y   o n   m u lt ip ath   r o u tin g   o v er   s a tellites   b y   T aleb   et  al  [5 ]   h as  p r o p o s ed   n o v el  m et h o d   ca lled   E x p lici L o ad   B alan ci n g   ( E L B )   wh ich   is   co o p er ativ r o u t in g   s tr ateg y   f o r   L E O   s atellite s   co n s tellatio n   t h at  e n ab les  n ei g h b o r in g   s atell ites   to   ex p licitl y   e x c h an g i n f o r m at i o n   o n   t h eir   c u r r en t   co n g es tio n   s tatu s   f o r   b etter   d is tr ib u tio n   o f   p ac k et  tr af f ics  o v er   th e n tire   s a tellite  co n s tel latio n .   T h m et h o d   also   o p ti m all y   p r ev e n t s   b o th   c o n g es tio n   a n d   p ac k et  d r o p s   at  th s atel lites   I n s p ir ed   b y   th id ea   o f   E L B   m et h o d   d ev elo p ed   b y   T aleb   e al,   w p r o p o s ed   an   alter n ativ ap p r o ac h   o f   m u l tip ath   r o u tin g   o v er   s ate llit es  w h ic h   ca n   s u p p o r an y   t y p e   o f   o r b ital  s atellite s   co n s t ellatio n   ( e. g .   L E O,   ME an d   GE O) .   W s till   h o l d   th id ea   t h at  tr af f ic  cla s s i f ic atio n   a n d   tr af f ic  co n d itio n i n g   co u ld   b d o n i n   t h e   ter r estrial  n et w o r k   i n   o r d er   to   r eliev th s atell ite  w o r k lo ad   an d   p r ev en s ca lab ilit y   p r o b le m .   I n   ad d itio n ,   w e   s u g g e s th at   t h c u r r en co n g esti o n   s tat u s   o v er   t h s atelli te   n et w o r k s   co u ld   b s h ar ed   a m o n g   t h Gr o u n d   to   Satellite  L i n k   ter m i n als  ( GS L )   an d   th r o u tin g   s c h ed u l in g   d ec is io n   o v er   w h ic h   s ate llit n et w o r k s   s h o u ld   b ch o s en   f o r   tr af f ic  d i v er s io n   will  b m an a g ed   b y   o n o r   m o r ad m is s io n   co n tr o n o d e.   T h ad m is s io n   co n tr o l   n o d m ai n tai n s   t w o   s ep ar ate  lis o f   c u r r en tr a f f ic  lo ad   o v er   th s atell ite  n e t w o r k s   a n d   th q u e u le n g t h   o f   g r o u n d   to   s atellite  li n k s .   T h l o ad   b alan cin g   o f   p ac k et  tr af f ic   f r o m   g r o u n d   to   s atellite  li n k s   w il b d o n b ased   o n   th o s lis ts   i n   o r d er   to   m a in tai n   o p ti m u m   Qo o f   d ela y - s e n s iti v e   an d   t h r o u g h p u t - s en s iti v e‟   I n ter n et   ap p licatio n   p ac k et  s tr ea m s .   Ou r   s co p o f   r esear ch   o n l y   s ee s   f r o m   en d - to - e n d   s atell it e - ter r estrial  n et w o r k   s y s te m   p er s p ec tiv e.   W o m it t h r o u ti n g   t y p u s ed   a m o n g   th s atellite s   w it h i n   t h s a m e   co n s tel latio n   n et w o r k   an d   ass u m th at  ea c h   s ate llit n et w o r k   m ai n tai n s   t h eir   o w n   r o u ti n g   tab les.    T h n ex t   s ec tio n s   e x p lai n   i n   d etails  o f   o u r   p r o p o s ed   Qo m et h o d   f o r   m u l tip ath   r o u ti n g   o v er   s atellite - ter r estrial  n et w o r k s   an d   t h s y s te m   p er f o r m a n ce   e v alu a tio n   u s i n g   NS - 2   n e t w o r k   s i m u latio n s .       2.   P RO P O SE RE SE ARCH   M E T H O D   T h p r o p o s ed   n o v el  Qo S   m e t h o d   s u p p o r ts   m u ltis er v ice  ap p licatio n s   o v er   t h 1 0 Mb p s   o f   h ig h   s p ee d   s atellite  b r o ad b an d   u s in g   Ka - Sat  li k s a tellite  a n d   t h B i g - L E s y s te m s .   T h m et h o d   ad o p ts   an   ad m i s s io n   co n tr o s y s te m   w h ic h   co n s is t s   o f   Dif f s er v   q u eu i n t er f ac e   an d   m u l tip ath   s ch ed u ler   in   o r d er   t o   r eg u late,   class i f y   an d   s elec t h o p ti m u m   m u ltip ath   r o u tes   f o r   t h I n t er n et  P r o to co ( I P )   p ac k et  tr af f ics.  I n   ad d itio n   w p r o p o s ed   s im p le  p r io r it y   q u e u w it h   s elec ti v p ac k ets  d r o p   f u n ctio n   a s   th s atel li te  OB P .   T h m ai n   f o c u s   o f   th is   s tu d y   is   d ev elo p in g   t h m u ltip at h   r o u tes   s elec t io n   al g o r ith m   f o r   th ad m i s s io n   co n tr o s y s te m   i n   o r d er   to   ac h iev o p ti m u m   Qo p er f o r m an ce   f o r   th m u lti s er v ice  ap p licatio n s   tr af f ic s .   T h ap p lica tio n s   tr af f ic s   u s ed   in   th s t u d i es  ar HT T w eb ,   lar g f ile  tr a n s f er   u s in g   FT P ,   Vid eo   s tr ea m in g   an d   b id ir ec tio n al  Vo I P .   T h p r o p o s ed   Qo f r a m e w o r k   h a s   b ee n   test ed   a g ai n s m u ltip l n e w   co n n ec tio n   r ates,  a v er ag s er v er - r e s p o n s e   f iles   s izes a n d   b it - er r o r - r ate  ( B E R )   v ar iatio n   u s i n g   NS - 2   s i m u latio n   s o f t w ar e .   T h NS - 2   n et w o r k   s i m u latio n   s ce n ar io   is   s h o w n   i n   Fi g u r 1   w h ich   co n s i s ts   o f   4   r e m o te  s er v er s ,   4   r e m o te  clie n ts ,   a n   ad m is s io n   co n tr o s y s te m ,   8   g r o u n d   to   s atellite  li n k s   ter m i n al s   ( GS L ) ,   Geo s y n c h r o n o u s     s atellite  ( GE O)   a n d   6 6   L o w   E ar th   Or b it  ( L E O)   s atellite s   c o n s tellat io n .   T h r e m o te  s er v er s   ar co n n ec ted   to   b o ttlen ec k   ad m i s s io n   co n tr o n o d u s in g   b id ir ec tio n al  lin k   o f   2 0 Mb p s   w it h   8 m s   o f   li n k   d elay   at  t h s er v er   s id w h ile  b id ir ec tio n a li n k   o f   2 . 5 Mb p s   w i th   2 m s   li n k   d el a y   i s   u s ed   to   co n n ec t   ea ch   GS L   ter m i n al  w i th   t h clien n o d e.   T h n ex t su b s ec ti o n s   ex p lai n   t h d etails ab o u t n et w o r k   ele m e n ts   p ar a m eter s .           Fig u r 1 .   Si m u latio n   s ce n ar io   in   NS - 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   2 9 5 8     2 9 6 9   2960   2 . 1 .   Ad m i s s io n Co ntr o l Sy s t e m       T h ad m is s io n   co n tr o s y s te m   w il r o u te  th tr a f f ic  co n n ec ti o n   to   m u ltip le  p ath s   o v er   b o th   L E an d   GE s atel lites   n e t w o r k s   u s i n g   lo ad   b alan c in g   m et h o d .   T h m et h o d   w ill   f u l l y   u tili ze d   b o th   L E a n d   GE O   s atellite s   n et w o r k s   r eso u r ce s   i n   o r d er   to   ac h ie v o p ti m u m   Q o f o r   t h t h r o u g h p u t - s e n s it iv e   ( e. g .   HT T P   w eb ,   FT P)  an d   d elay - s e n s iti v e   ( e. g .   Vo I P ,   v id eo   s tr ea m i n g )   tr a f f ics.  T h lo ad   b alan cin g   m et h o d   is   b ased   o n   th e   f o llo w in g   p ar a m eter s .   a.   C u r r en t lo ad   b an d w id t h   o f   ea c h   b r an ch i n g   li n k .   b.   C u r r en t q u eu le n g t h   o f   ea ch   b r an ch i n g   li n k .   c.   C u r r en t e n d - to - e n d   d ela y   b ase d   o n   d ata  co llected   b y   th m o v in g   a g e n t .   B ased   o n   Fig u r 1 ,   th ad m is s io n   co n tr o l s y s te m   co n s i s t s   o f   th f o llo w i n g   s u b co m p o n en ts :   a.   Mu ltip at h   s c h ed u ler   ( th p u r p l co lo r   o v al  o b j ec t) .   b.   Dif f s er v   q u e u in ter f ac ( th g r ee n   co lo r   cir cle  o b j ec t) .   I n   NS - 2 ,   t h m u ltip at h   s c h ed u ler   i s   n o d ele m e n t   d er iv e d   f r o m   th e   C la s s   No d e.   W ex ten d   th e   b asic  n o d f u n ctio n al it y   to   s u p p o r m u ltip ath   r o u te  s e lectio n   at  r u n - ti m b y   ad d in g   th e   m u ltip ath   clas s if ier   o b j ec as  s h o w n   i n   Fig u r e   2 .   T h n o d is   d esi g n ed   i n   s u c h   w a y   t h at  i w o u ld   o n l y   s u ita b le  to   f u n ctio n   as  a   b r an ch i n g   n o d i m m ed iatel y   b ef o r th GS L   ter m i n al s .   T h is   m a k es  it  ca p ab le  to   r eg u lat th tr af f ic  f lo w s   o v er   th s atell ite  n et w o r k s .           Fig u r 2 A   n o v el  m u l tip ath   s c h ed u ler   n o d s tr u ctu r i n   NS - 2       T h m u ltip ath   s c h ed u ler   tas k s   in v o lv e   m ea s u r e m e n t   o f   th e   l o ad   b an d w id t h   a n d   q u e u i n g   b u f f er   s ize   o f   th f o r w ar d   b r an ch in g   li n k s   b ased   o n   th I p ac k et  f o r w ar d in g   h i s to r y   an d   k ee p s   it s   o w n   s tati s tical  tab les.   T h tab les  co n ta in   lis ts   o f   co n tin u o u s l y   u p d ated   c u r r en t   tr af f ic  lo ad   o v er   t h s atellite   n et wo r k s   a n d   t h q u e u e   len g th   o f   g r o u n d   to   s atellite  li n k s .   I n   ad d itio n ,   it  m ai n tai n s   r o u ti n g   tab le  b ased   o n   t h u n i q u co n n ec t io n   I f o r   ev er y   T C P /UD co n n ec tio n   t h at  p ass ed   t h r o u g h   i t.  E v er y   n e w l y   e s tab lis h e d   co n n ec tio n   u n iq u I w i ll  b r eg is ter ed   in   t h e   r o u tin g   tab le  lis alo n g   w i th   th ch o s e n   o p ti m u m   f o r w ar d in g   r o u te.   S u b s eq u e n p ac k ets  f r o m   t h s a m e   co n n ec tio n   w i ll  f o llo w   th s a m r o u te  u n til  th co n n ec tio n   is   ter m i n ated .   W h en   th e   co n n ec tio n   is   ter m i n ated ,   it  w ill  b d er eg is ter ed   f r o m   t h r o u ti n g   tab le  li s to   lea v e   s p ac f o r   t h s u b s eq u e n t   n e w   co n n ec tio n .   T h e   r eg is tr atio n   an d   d er eg is tr atio n   p r o ce s s es  p r o v id in f o r m a tio n   to   th m u ltip ath   s c h ed u ler   ab o u th to tal  liv e   co n n ec tio n s   a n d   co n n ec tio n s   t er m in a tio n   r ates i n   ea ch   b r an c h in g   li n k s   o v er   t h s atell ite  n e t w o r k s .   Mo r eo v er ,   it  p r o b es  all  th p o s s ib le  p ath s   to w ar d s   d est in a tio n   f o r   t h li n k   d ela y   b y   p e r io d ically   cr ea tin g   a n d   d is s ip ati n g   m o v i n g   a g en ts   t h at  co n ti n u o u s l y   m o v in g   f o r w ar d   to   d esti n atio n   n et w o r k   ele m e n an d   b ac k w ar d   to   it s el f .   T h ad v a n tag e s   o f   u s i n g   m o v in g   a g e n i n   t h m u ltip ath   r o u ti n g   o v er   L E s atelli tes   n et w o r k   h av b ee n   h i g h li g h t ed   b y   R ao   et  al  [ 6 ] .   W ad o p ted   th m et h o d   in   o u r   s t u d y   as  t h ad d itio n al   f u n ctio n   to   t h m u ltip at h   s c h e d u ler   ele m e n f o r   o p ti m u m   tr a f f ic  r o u te  s elec tio n .   T h m o v i n g   a g en i s   d ef i n ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Qo S   b a s ed   A d mis s io n   C o n tr o l u s in g   Mu ltip a th   S ch ed u ler fo r   I P   o ve r   S a tellite Netw o r ks  ( L u kma n   A u d a h )   2961   as  s m all  c h u n k s   o f   p ac k ets  in   NS - 2   cr ea ted   to   r ec o r d   t h e   r o u n d - tr ip - t i m e   ( R T T )   tim e - s ta m p   f o r   ea ch   b r an ch i n g   li n k s   f r o m   th m u lt ip ath   s ch ed u ler   to w ar d s   clie n t   n o d es.   T h tim es ta m p   r ec o r d s   b o th   f o r w ar d   an d   r ev er s d ela y s   b et w ee n   s er v er   an d   clie n s id es.  C o n g est io n   co u ld   b d etec ted   if   th e   r ec o r d ed   f o r w ar d   d ela y   in cr ea s ed   f r o m   p r ev io u s   r ec o r d ed   v alu es  o r   th p r o b p ac k ets  d r o p p ed   as  th r esu lts   o f   ti m eo u t.  T h f o r w ar d   d elay   d ata  w ill  b u s ed   f o r   co m p ar i s o n   w i th   o th er   r ec o r d ed   lis o f   p ar a m eter s   s to r ed   in   t h tab les  in   o r d er   to   d eter m in t h o p ti m u m   tr af f ic  r o u te  to w ar d s   clie n t n o d e .   T h o p tim u m   r o u te  s elec tio n   f o r   ea ch   tr af f ic  t y p is   b ased   o n   th m ea s u r ed   d ata  an d   Dif f s er v   q u eu e   in f o r m atio n .   P ac k et s   f r o m   t h e   s a m co n n ec tio n   w ill  n o b s ep ar ated   in   o r d er   to   av o id   p a ck ets  r eo r d er in g   at   th r ec eiv er   s id e.   T h m u ltip ath   r o u tes  f o r w ar d in g   alg o r it h m   d ec id e s   o n   h o w   t h m u lti p ath   s ch ed u ler   w i ll   h an d le  t h cu r r e n t c o n n ec tio n   f lo w s   a n d   th n e w l y   estab li s h e d   co n n ec tio n   f lo w s   f o r   ea ch   tr af f ic  t y p b ased   o n   th ti m e - b a n d w id th   s h ar i n g   co n ce p t.  T h tim e - b an d w id t h   s h ar in g   co n ce p d ef i n es  t h e   co n ce p o f   lin k s   s h ar i n g   a m o n g   lo w er   d ela y   l i n k s   ( i.e .   lin k s   u s in g   L E s at ellites   n et w o r k )   an d   h i g h er   d ela y   li n k s   ( i.e .   lin k s   u s i n g   GE s atell ite  n et w o r k ) .     2 . 2 .   Sa t ellit Net w o rk s   Co nfig ura t io n   T h s atellite  n et w o r k s   u s ed   in   th p r o p o s ed   n et w o r k   s ce n ar i o   ar b ased   o n   th Ka - Sat  li k s atellite   s y s te m   lo ca ted   at  co o r d in ate  9 0   ea s an d   L E O - I r id iu m   co n s tellatio n .   T h er ar 4   r em o te  s er v er s   th at  tr an s m it  m u ltip le  T C P   an d   UDP  co n n ec tio n s   to   4   r em o te  clie n ts   v ia  8 GSLs.  W also   in tr o d u ce d   r an d o m   er r o r   m o d el   to   s i m u late  th s atellite  n et w o r k   tr an s m i s s io n   lo s s   ch ar ac ter i s tics .   T h e r r o r   m o d el  p r o d u ce d   2   d if f er en B E R   v alu e s   w h ich   ar 1 0 - 7   an d   1 0 - 6   f o r   2   d if f er en t e r r o r   s ce n ar io s .   B ased   o n   Fi g u r 1 ,   t h 4 GS L s   at  th e   s er v er s   s id ar lo c ated   at  t h s a m e   latit u d a n d   lo n g it u d co o r d in ate  ( 3 7 . 9 0 - 1 2 2 . 3 0 )   w h ile  th o th er   4 GS L s   at  th cl i en ts   s id ar lo ca ted   at  ( 4 2 . 3 0 ,   7 1 . 1 0 ) .   T h GE O   s atellite  is   lo ca ted   at  th co o r d in ate  ( 0 0 - 100 0 ) .   T h - ”  s i g n   r ef er s   to   lo ca tio n   in   W est  r eg io n   i n   ea r th .   T h e   L E s atellite s   co n s tellatio n   a r s ca tter ed   ar o u n d   t h g lo b at  lo w   ea r th   o r b it .   T h e   R T T   b et w ee n   t h GE O   s atellite  a n d   th r esp ec ti v GS L   at  s er v er   an d   clien s id co u l d   b ca lcu lated   as f o llo w s   [ 7 ]:   T h r elativ co o r d in ate  d if f er en ce   b et w ee n   GE s a tellite  a n d   GS L   ter m i n al  at  t h s er v er   s id i s   s h o w n   a s   f o llo w s :     GE   GSL   ( s er v er )     ( 0 , - 1 0 0 )     ( 3 7 . 9 ,   - 1 2 2 . 3 )         = ( - 3 7 . 9 ,   2 2 . 3 )     T h r elativ co o r d in ate  d if f er en ce   b et w ee n   GS L   ter m i n al   at  th clien s id an d   th GE s atellite  is   s h o wn   as f o llo w s :     GSL   ( C lie n t)     GE O   ( 4 2 . 3 ,   7 1 . 1 )     ( 0 ,   - 100)         ( 4 2 . 3 ,   1 7 1 . 1 )     T h en   th R E h   an d   r   p ar a m ete r s   ar e   s p ec if ied   as f o llo w s :   R E       E ar th   r ad iu s   f r o m   ea r t h s   co r to   ea r th   ter m in al     6 3 7 8 . 1 3 7 Km   h       T h s atellite  alti tu d f r o m   th ea r th   eq u ato r     3 5 7 8 6 . 6 Km   r       R ad iu s   f r o m   t h ea r th s   co r to   GE s atellite     R E   h   4 2 1 6 4 . 7 3 7 Km       Dis ta n ce   b et w ee n   th GE s atellite  an d   GS L   ter m in al  ca n   b ca lcu lated   u s i n g   t h e   f o llo w i n g   E q u atio n   [ 7 ] :     c o s 2 2 2 2 r R r R R E E                 ( 1 )     w h er     l l L s in s in c o s c o s c o s c o s               ( 2 )     T h L   an d   l   p ar a m eter s   ar t h latit u d an d   lo n g it u d o f   t h ea r th   co o r d in ate  s y s te m   r e s p ec tiv el y   w h ile  t h   p ar am eter   i s   t h e   az i m u th   a n g le.   A s   f o r   GE s atellite,   w h a v e , 0   th u s   1 c o s an d   . 0 s i n   T h v alu o f   c o s   b et w ee n   GE   GSL   ( s er v er )   is   ca lcu lated   as f o llo w s :     73 . 0 ) 3 . 22 c o s ( ) 9 . 37 c o s ( c o s 0 0 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   2 9 5 8     2 9 6 9   2962   0 1 11 . 43     T h v alu o f   c o s   b et w ee n   G S L   ( C lien t)     GE is   ca lc u lated   as f o llo w s :     7307 . 0 ) 1 . 171 c o s ( ) 3 . 42 c o s ( c o s 0 0 2   0 2 95 . 136     T h er ef o r th d is tan ce   b et w ee n   GE s ate llit a n d   GS L   ter m in al  ( s er v er )   ca n   b co m p u t ed   as f o llo ws   u s i n g   ( 1 ) :     Km R Km R 148 . 37761 10 4259 . 1 ) 73 . 0 )( 737 . 42164 )( 137 . 6378 ( 2 ) 737 . 42164 ( ) 137 . 6378 ( 1 2 9 2 2 2 1     B esid es  th at,   th d i s tan ce   b etw ee n   G SL  ( C lie n t)   ter m i n al  a n d   GE s a tellite  ca n   al s o   b co m p u ted   a s   f o llo w s :     Km R Km R 2643 . 47027 10 2116 . 2 ) 7307 . 0 )( 737 . 42164 )( 137 . 6378 ( 2 ) 737 . 42164 ( ) 137 . 6378 ( 2 2 9 2 2 2 2     T h u s   t h o n e - w a y   p r o p ag atio n   d ela y   f r o m   GS L   ( s er v er )     GE s atel lite    G SL  ( clien t)   ca n   b e   ca lcu lated   as  f o llo w s :     ms c R R T p 283 10 3 1000 ) 2643 . 47027 148 . 37761 ( 8 2 1     T h er ef o r e,   th R TT   v al u o v er   GE s atellite  i s   o b tain ed   as f o llo w s :     ms ms T R T T p 566 283 2 2     Mo r eo v er ,   th R T T   o v er   L E O   n et w o r k   co u ld   n o b e   ca lcu la ted   as  p r ev io u s l y   m e n tio n ed   b ec au s w e   d id   n o m o n ito r   c lo s el y   t h co o r d in ate  o f   L E O   s a tellite s   i n v o lv ed   d ir ec tl y   in   t h d ata   tr an s m i s s io n .   Ho w e v er ,   an   ap p r o x i m atio n   v alu co u ld   b co n s id er ed   as  p r ev io u s l y   c alcu lated   in   [ 7 ]   w h ich   i s     7 5 . 1 6 2 m s   w it h   R TT   ≈  1 5 0 . 3 2 4 ms .     2 . 3 .   M ultiserv ice  Appl ica t io n T ra f f ic  M o delin g   T h er ar e   4   ap p licatio n s   s er v ices  th at  w ill  b u s ed   in   th p r o p o s ed   n et w o r k   s ce n ar io   as  in   Fig u r 1   w h ic h   ar th g e n er i HT T P   w eb   tr a f f ic,   lar g f ile s   tr an s f e r   u s i n g   FT P ,   Vid eo   s tr ea m i n g   u s i n g   C o n s ta n B i t   R ate  ( C B R )   tr af f ic  a n d   b id ir ec tio n al  Vo I P   u s i n g   GS M. A MR   co d ec .   T h en d - to - e n d   Qo p er f o r m an ce   w ill  b e   m ea s u r ed   ag ai n s v ar iab le  co n n ec tio n   r ates a n d   B E R   v al u es  d u r in g   th e n tire   1 5   m in u te s   o f   s i m u latio n   t i m e .     2 . 3 . 1 .   H T T P   Web  T ra f f ic   T h H T T w eb   tr af f ic  ap p licatio n   in   t h NS - 2   m u l tip ath   s i m u lat io n s   u s ed   P ar eto   d is tr ib u tio n   to   m o d el  t h s er v er   r esp o n s f ile   s ize  w it h   av er ag v a lu o f   3 0 0 Kb y te s .   T h H T T w eb   tr af f ic  u s ed   T C Ne w   R en o   as t h u n d er l y in g   tr a n s p o r t p r o t o co l.  T h T C P   s eg m e n t size  u s ed   is   1 5 0 0 b y tes ( i.e .   1 4 6 0 b y tes p a y lo ad   40 b y tes  h ea d er )   w it h   m a x i m u m   co n g esti o n   w in d o w   s ize  o f   2 9   p ac k ets.  T h co n g est io n   w i n d o w   i s   s et  to   2 9   p ac k ets  b ec au s HT T P   p ac k et  m a y   tr a v el  o n   b o th   L E O   an d   GE s atell ites   n et w o r k s   at   an y   p o s s ib le  ti m e.   Sin ce   t h R T T   o v er   L E is   m u ch   s m a ller   th a n   t h R T T   o v e r   GE ( e. g .   ap p r o x im ate l y   1 4 2   m s   test ed   f o r   th e   n et w o r k   s ce n ar io   w it h o u t   B E R ) ,   th e   m ax i m u m   T C P   co n g e s tio n   w i n d o w   s ize  v al u i s   o b tain ed   b as ed   o n   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Qo S   b a s ed   A d mis s io n   C o n tr o l u s in g   Mu ltip a th   S ch ed u ler fo r   I P   o ve r   S a tellite Netw o r ks  ( L u kma n   A u d a h )   2963   m ax i m u m   T C P   th r o u g h p u t   E q u atio n   ( W max /RTT )   u s in g   th 2 . 5 Mb p s   o f   t h s atelli t u p li n k /d o w n li n k   b an d w id t h   as t h b en c h m ar k   a n d   1 5 0 0 b y tes o f   T C P   s eg m e n t   s ize .     2 . 3 . 2 .   L a rg F ile  T ra ns f er   u s i ng   F T P   T h FT P   tr af f ic  ap p licatio n   u s ed   in   t h i s   s tu d y   i s   f o r   t h I n te r n et  lar g f ile  tr an s f er   w it h   a v er ag f ile  s ize  v a lu e   ( e. g .   a vg _ ( x) )   o f   5 Mb y tes b ased   o n   P ar eto   d is tr ib u tio n .   T h FT P   tr af f ic   u s ed   T C P   Ne w   R e n o   as   th e   u n d er l y in g   tr an s p o r p r o to co l.  T h T C P   s eg m en s iz u s ed   i s   1 5 0 0 b y tes  ( i.e .   1 4 6 0 b y te s   p a y lo ad     40 b y tes  h ea d er )   w it h   m ax i m u m   co n g esti o n   w i n d o w   s ize  o f   4 3   p ac k ets .   T h co n g esti o n   w i n d o w   is   s e to   4 3   p ac k ets  b ec au s FT p ac k et  m a y   tr av el  o v er   GE s atellite s   n et w o r k s   at  m o s o f   t h s i m u latio n   ti m b ased   o n   t h d ef i n ed   r o u tin g   s c h ed u lin g   al g o r ith m .   Si n ce   th R T T   o v er   GE is   h ig h er   th a n   t h e   R TT   in   L E ( e. g .   m o r th a n   5 0 0 m s   tes ted   f o r   th n et w o r k   s ce n ar io   w it h o u B E R ) ,   th m a x i m u m   T C P   co n g esti o n   w i n d o w   s ize  co u ld   r ea ch   m o r t h an   1 0 0   p a ck ets  w h e n   ca lcu lated   u s in g   2 . 5 Mb p s   o f   th s atell ite  u p lin k /d o w n li n k   b an d w id t h   as  t h b en ch m ar k ,   5 0 0 m s   R T T   an d   1 5 0 0 b y te s   o f   T C P   s eg m e n s ize .   Ho w ev er ,   1 0 0   p ac k ets  o f   co n g esti o n   w in d o w   s ize  ar eq u al  to   1 5 0 Kb y te s   an d   m o r th a n   th e   s tan d ar d   m a x i m u m   T C P   w in d o w   s ize  w h ic h   is   6 5 5 3 5 b y tes  [ 8 ] .   T o o   lar g T C P   w i n d o w   s et tin g   m a y   in tr o d u ce   er r o r - r ec o v er y   p r o b le m   an d   d eg r ad es  t h p er f o r m a n ce   s u b s ta n tiall y   [9 ] .   T h er ef o r e,   t h m a x i m u m   T C P   co n g es tio n   w i n d o w   s ize  u s ed   in   th N S - 2   s i m u latio n s   i s   li m it ed   to   4 3   p ac k ets o n l y .     2 . 3 . 3 .   Video   Str ea m ing   T ra f f ic   T h Vo v id eo   s tr ea m in g   tr a f f ic  is   m o d elled   u s i n g   C o n s ta n B it  R ate  ( C B R )   tr af f ic  g e n er ato r   in     NS - 2 .   W f o l lo w   th s tan d ar d   MP E G - tr an s p o r s tr ea m   ( MP E G - T S)  p ac k et  s ize  s p ec if icatio n   u s ed   i n   th e   I n teg r ated   Ser v ice s   Dig ital  B r o ad ca s tin g   -   T er r estrial  ( I DS B - T ) ,   Dig ital  Vid eo   B r o ad c ast  ( DVB - T /C /S)  an d   A d v an ce d   T elev is io n   S y s te m s   C o m m i ttee  ( A T SC )   w h ic h   is   2 0 8 b y te s   ( 188 b y tes  tr a n s p o r s tr ea m   p ac k et  +     20 b y tes  o f   FEC  d ata)   [ 1 0 ] .   T h 1 8 8 b y te s   p ac k et  s ize  i s   s ta n d ar d   p ay lo ad   s ize  ch o s e n   f o r   c o m p atib ili t y   w it h   A T s y s te m   w h i le  th ad d itio n al  2 0 b y te s   is   u s ed   f o r   th R ee d - So lo m o n   f o r w ar d   er r o r   c o r r ec tio n .     2 . 3 . 4 .   Vo ice  o v er   I P   T ra f f ic   T h b id ir ec tio n al  Vo I P   ap p lic atio n   tr a f f ic   u s ed   i n   t h m u l tip ath   s i m u lat io n s   u s ed   GSM. AM R   co d ec .   T h av er ag n e w   Vo I P   co n n ec tio n   r ate  b et w ee n   t w o   c o n v er s atio n   e n titi e s   v ar ies   b et w ee n   1   a n d   3 0   co n n ec tio n / m in u te  b ased   o n   t h E x p o n e n tial  d is tr ib u tio n .   Mo r eo v er ,   th av er ag co n v e r s atio n   d u r atio n   p er   co n n ec tio n   is   1 0   m i n u te/co n n ec t io n   b ased   P ar eto   d is tr i b u tio n .   S i m i lar l y   w it h   o th er   tr af f ics,  t h n e co n n ec tio n   is   cr ea ted   r eg ar d less   o f   t h co m p letio n   o f   p r ev io u s   co n n ec tio n .     2 . 4 .   Dif f er ent ia t ed  Serv ices ( Dif f s er v )   Co nfig ura t io n   T h Dif f s er v   q u eu in g   s y s te m   in   m u ltip ath   s i m u latio n s   u s ed   R an d o m   E ar l y   De tectio n   ( R E D)   q u eu t y p a n d   t h T i m Sli d i n g   W in d o w   3   C o lo r   Ma r k er   ( T SW 3 C M)   o f   p o licer   t y p e.   T h to tal  b u f f er   s ize   o f   a   p h y s ical  q u e u is   5 0 0   p ac k ets  w i t h   a v er ag p ac k et s   s ize  o f   1 5 0 0 b y tes.  T h 3   v ir tu al  q u e u e s   ar v ir tu al l y   s o m e   f r ac tio n s   o f   th p h y s ical  q u e u s ize  w h ich   co r r esp o n d s   to   th m i n i m u m   t h r es h o ld   ( min Th )   an d   m a x i m u m   th r es h o ld   ( ma xTh ) .   A s s u m i n g   th at  9 0 o f   t h to tal  b u f f er   s ize  u s ed   f o r   u s er   tr af f ics,  t h er ef o r th m ax T h   co u ld   b s et  eq u all y   to   all  tr af f ic  t y p w h ic h   is   4 5 0   p ac k ets .   T h C I R   an d   P I R   v al u es  ar e   s et  b ased   o n   1 0 Mb p s   o f   th to tal  b r an ch i n g   l in k s   b a n d w id t h   ( e. g .     2 .5 Mb p s   o f   th s atellite  u p li n k /d o w n li n k ) .   T h is   is   d o n i n   o r d er   to   lim it  t h tr af f ic  r ate  t h at  p ass   t h r o u g h   th e   s atellite  n et w o r k s   s o   th at  t h t o tal  r at d o es n o t e x ce ed   f ar   b e y o n d   1 0 Mb p s .     2 . 5 .   Sa t ellit O n - B o a rd  P r o ce s s ing   ( O B P )   T h OB P   s y s te m   u s ed   in   t h e   NS - 2   s i m u lat io n s   is   e x ac tl y   th s a m a s   m en t io n ed   in   [ 1 1 ]   w h ic h   m an a g ed   th tr af f ic  f lo w s   b as ed   o n   d elay - s e n s iti v e   an d   th r o u g h p u t - s en s iti v e   ca teg o r ies.  E ac h   s atellite  i n   L E O   an d   GE n et w o r k s   h as  t h O B P   q u eu in g   s y s te m   w it h   m ax i m u m   b u f f er   s ize  o f   5 0 0   p a ck ets  w it h   av er a g s ize   o f   1 5 0 0 b y tes f o r   ea ch   p ac k e t .     2 . 6 .   Dela y   Sch eduli ng   a nd   Q ue u F un ct io n   T h ter m   d ela y   s ch ed u li n g   g e n er all y   m ea n s   to   d ela y   t h s p ec if ic  s ch ed u li n g   tas k s   at   s o m e   p er io d   o f   ti m i n   o r d er   to   p r eser v o p tim u m   f lo w   o f   th q u eu in g   ta s k s   s y s te m .   T h s t u d y   o f   d ela y   s ch ed u li n g   to p ic  h as   b ee n   d o n b y   m a n y   r ese ar c h er s   in   t h f ield s   o f   T C P /I p r o t o co lay er s   f o r   ef f icie n t   u s er   d ata  lo ca lity   m an a g e m e n a n d   f o r   m in i m i zi n g   th e   ef f ec o f   tr an s m is s i o n   d ela y s   o v er   h e ter o g en eo u s   n et w o r k s   [ 1 2 - 14] I n s p ir ed   b y   t h w o r k   in   t h p r ev io u s   s t u d ies,  w ad o p th m et h o d   as  p ar o f   th ad m is s i o n   co n tr o s y s te m   i n   o r d er   t o   r eg u late  th tr a f f ics  f l o w   ac r o s s   t h ter r estrial - s atell i te  n et w o r k s .   T h ad m i s s io n   co n tr o s y s te m   at  th b r a n ch i n g   n o d elem en also   ad o p ts   t h d ela y ed   s ch ed u li n g   alg o r ith m   f u n ctio n   at  it s   q u e u in g   b u f f er   i n   o r d e r   to   r ed u ce   p ac k ets  d r o p p ed   o f   T C P   tr af f i c.   T h m et h o d   w ill   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   2 9 5 8     2 9 6 9   2964   d elay   t h T C P   p ac k ets  at  r a n d o m   p er io d   o f   tim w h en   t h q u eu b u f f er   ex ce ed s   s o m s p ec if ic  ca p ac it y   th r es h o ld s .   T h d ela y   i s   d o n b y   u s i n g   a   v ir t u al  q u eu e   o n   to p   o f   th e   p h y s ical   q u e u at  t h e   ad m is s io n   c o n tr o l   n o d as  s h o w n   i n   Fig u r 3 .   W h en   t h p h y s ical  q u e u to w ar d s   th b r an ch i n g   li n k s   h a v r ea ch ed   th th r es h o ld   v alu e,   a n y   T C P   p ac k et  th at  a r r iv es  af ter   t h at  w ill  b q u e u ed   in   th v ir tu al  q u e u b u f f e r   u n til  t h p h y s ica q u eu len g t h   d r o p s   b elo w   th th r esh o ld   v al u e.   On ce   t h p h y s ical  q u eu le n g th   d r o p s   b elo w   th t h r esh o ld   v alu e,   th T C P   p ac k ets  w i ll  p ass   t h r o u g h   o v er   th s atelli te  n et w o r k s .   T h is   i s   d o n r ep ea ted l y   at  t h ad m is s io n   co n tr o n o d w h e n e v er   th p h y s ical  q u e u len g t h   ex ce ed s   th th r es h o ld .   T h d elay ed   s ch ed u li n g   m a y   o n l y   tak s p li s ec o n d s   b ec au s t h e   ad m is s io n   co n tr o w ill   ter m i n ate  a n y   n e w   ar r iv al  co n n ec t i o n   w h e n   t h q u eu e   th r es h o ld   is   ex ce ed ed   u n til  th lo ad   b an d w id th   d r o p s   b elo w   9 0 o f   th lin k   ca p ac it y .   T h d ela y   s ch ed u li n g   an d   co n n ec ti o n   ter m i n atio n   m et h o d s   cr ea te  d o u b le  p r o tec tio n   o n   th o n g o in g   T C P   liv co n n ec tio n s   f r o m   p ac k ets d r o p p ed .           Fig u r 3 Dela y   s c h ed u li n g   at  ad m is s io n   co n tr o l n o d e       3.   RE SU L T A ND  AN AL Y SI S   T h s i m u latio n s   s t u d y   co m p r is ed   o f   4   tr af f ic  t y p e s   w h ic h   ar th HT T P   w eb ,   L ar g Fil tr an s f er   u s i n g   FT P ,   Vid eo   s tr ea m i n g   a n d   Vo I P .   I n   ad d itio n ,   th b r an ch in g   l in k s   b a n d w id th   i s   s et   to   2 . 5 Mb p s   ea ch   an d   th s atell ite  lin k s   n et w o r k   ar e   ex p o s ed   to   th b it - er r o r - r ate.   Si m u latio n s   ar d o n in   o r d e r   to   in v esti g ate  th e   Qo p ar a m et er s   v ar iat io n s   o f   th p r o p o s ed   s y s te m   a s   t h r e s u lt s   o f   t h in cr e m e n o f   n e w   co n n ec tio n   r ate  a n d   also   th B E R   v al u e s .   As  m e n tio n ed   in   p r ev io u s   s e ctio n ,   th er ar 4   a p p licatio n   tr af f ics  in v o l v ed   w h ich   ar HT T P   w eb ,   lar g f ile  tr an s f er   u s in g   FT P ,   Vid eo   s tr ea m i n g   an d   Vo I P .   A l l o f   t h tr af f ic s   s tar t a t   th s a m ti m at   1 0   s ec o n d   an d   s to p   at   th e   en d   o f   s i m u la tio n   ti m e   w h ich   is   9 0 0   s ec o n d .   T h s i m u latio n s   ar e   d o n 3 0   ti m es   in   o r d er   to   in v e s ti g ate  t h e f f ec o f   n e w   c o n n ec tio n s   ar r i v al  r ates   b et w e en   1   a n d   3 0   co n n ec tio n   p er   m i n u te.   E ac h   p o i n i n   th f o llo w in g   g r ap h s   r ep r ese n t s   an   a v er ag e   v al u es   ca lcu lated   d u r in g   t h en tire   9 0 0   s ec o n d   o f   s i m u latio n   ti m e.   A lt h o u g h   t h P ar eto   an d   E x p o n en tial  m o d el  d is tr ib u tio n s   ar u s ed   in   ar u s ed   i n   all  tr a f f ic  t y p es  f o r   ce r tai n   p u r p o s es  li k i n ter - ar r iv al   ti m e,   f ile   s ize   d is tr ib u tio n   an d   li v e - ti m co n n ec tio n   d is tr ib u tio n ,   ea c h   tr a f f ic  t y p u s ed   d i f f er e n s e o f   r a n d o m   v al u es  p r o v id ed   b y   t h d is t r ib u tio n   m o d el  b ec au s ea c h   tr af f ic  t y p e   u s ed   d if f er e n t r an d o m   n u m b er   d is tr ib u tio n   s ee d .     3 . 1 .   Av er a g E nd - to - E nd   Dela y   T h p ac k et  d ela y   is   m ea s u r ed   b y   s u b tr ac ti n g   t h p ac k et  r ec eiv ed   ti m at  t h clie n ( t r )   to   th p ac k e t   s en d i n g   ti m f r o m   s er v er   ( t s ) .   T h av er ag d ela y   ( D )   is   m ea s u r ed   b y   s u m m i n g   u p   all   p ac k ets  d ela y s   a n d   t h e n   d iv id ed   b y   t h to t al  n u m b er   o f   s u cc es s f u l l y   r ec ei v ed   p ac k et  ( P t )   at  th clien s id as s h o w n   in   ( 3 ) .     t N i i i s r P t t s D 1 ) (                   ( 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Qo S   b a s ed   A d mis s io n   C o n tr o l u s in g   Mu ltip a th   S ch ed u ler fo r   I P   o ve r   S a tellite Netw o r ks  ( L u kma n   A u d a h )   2965   T h av er ag e n d - to - en d   p ac k e t d ela y   i n   s ec o n d   as  s h o w n   i n   Fig u r 4   is   p r o p o r tio n al  to   th in cr e m e n t   o f   av er a g co n n ec tio n   r ates  f r o m   ea c h   tr a f f ic  t y p e.   T h d ela y s   ar h i g h er   at  m o s o f   t h ti m e   in   B E R   1 0 - 6   s ce n ar io   a n d   also   d u r in g   h i g h er   co n n ec tio n   r ates   m a in l y   b ec au s o f   m a n y   p ac k et s   d r o p p ed   an d   n et w o r k   co n g es tio n .   T h g lo b al  q u eu i n g   d ela y   a n d   also   th in v o ca tio n   o f   d ela y   s ch ed u li n g   u p o n   th th r o u g h p u t - s en s iti v e   tr af f ic s   ar th e   m ai n   f ac to r s   to w ar d   h i g h er   d ela y   d u r i n g   n et w o r k   co n g esti o n .   B esid es  th at,   t h e   av er ag d ela y   p er ce iv es  b y   t h th r o u g h p u t - s e n s i tiv e   tr a f f i cs  ar h ig h er   at  m o s o f   th e   ti m b ec au s t h e   ad m is s io n   co n tr o s y s te m   p r ef er r ed   th r o u tin g   o v er   GE n et w o r k   w h en   t h r o u tes  o v e r   L E n et w o r k   ar e   co n g es ted .   I n   ad d itio n ,   th e   h i g h er   d ela y s   ar also   d u to   th T C P   r eliab le  tr an s m is s io n s   ch ar ac ter is tic s   li k e   w i n d o w   r es izin g   an d   p ac k et s   r etr an s m i s s io n .   T h FTP   tr a f f ic  p er ce iv h i g h e s av er a g e   en d - to - e n d   d ela y   v alu e s   co m p ar ed   to   th HT T w eb   tr af f ic  m ai n l y   b ec au s t h tr af f ic  ca r r ies  lar g f ile  s iz es  o v er   th n et w o r k   an d   t h w h ic h   ta k es  lo n g er   ti m e   to   co m p lete   tr an s m is s io n   a n d   er r o r   r ec o v er y   p er   co n n ec tio n   d u r i n g   co n g es tio n   p er io d s .   T h Vo I tr af f ic  p er ce iv t h lo w est  d ela y   d u r i n g   th e n tire   s i m u lat io n s   ti m es  b ec a u s e   th p r o p o s ed   ad m is s io n   co n tr o n o d li m it s   th q u eu in g   t h r esh o ld   an d   d r o p s   th p ac k et s   w h e n   t h q u e u ex ce ed s   th r es h o ld   li m i t.  I n   ad d itio n ,   th u n d er l y i n g   U DP   tr an s p o r p r o to co l   d id   n o d o   an y   p ac k e t   r etr an s m is s io n   d u r i n g   n et w o r k   co n g e s tio n   w h ic h   ca u s es  t h en d - to - e n d   d ela y   lo w er   th a n   T C P   tr af f ics.  T h m ax i m u m   e n d - to - e n d   d ela y   f o r   th t h r o u g h p u t - s e n s it iv e   tr af f ic  co u ld   b s ee n   i n   B E R   1 0 - 6   s i m u lat io n   s ce n ar io   w h ic h   i s   3 0 6 4 . 1 9 4 2 m s   f o r   th e   FT P   tr af f ic  w h ile   th e   m ax i m u m   e n d - to - e n d   d ela y   f o r   t h d el a y - s e n s iti v tr af f ic   is   7 0 7 . 1 7 6 3 m s   p er ce iv ed   b y   th Vid eo   s tr ea m in g   tr a f f ic.   B esid es  th at,   t h m ax i m u m   e n d - to - en d   d ela y   f o r   HT T P   w e b   a n d   Vo I P   tr af f i ar 9 3 3 . 1 9 4 9 m s   an d   8 5 . 1 9 5 m s   r esp ec ti v el y .   T h p r o p o s ed   s y s te m   h a s   s u cc e s s f u ll y   m an a g ed   to   co n tr o th d elay   ac co r d in g   to   p r io r it y   a m o n g   tr af f ic  t y p e s   an d   also   to   m ai n tai n   th e   d elay   o f   Vo I P   tr af f ic  u n d er   th m ax i m u m   s ta n d ar d   r ec o m m en d atio n .           Fig u r 4 Av er ag e n d - to - en d   d elay   o v er   s atellite       3 . 2 .   Av er a g e   E nd - to - E nd   L o s s   R a t io   Av er ag p ac k et  lo s s   r atio   ( L )   r ef er s   to   t h r atio   o f   to tal  p ac k et  lo s s   ( P l )   o v er   to tal  tr an s m i tt ed   p ac k et  f r o m   s er v e r   to   clien t ( P s ) .   E q u atio n   ( 4 s h o w s   t h lo s s   r atio   ca lcu latio n .     N i i i s N i i i l P P L 1 1                     ( 4 )     B ased   o n   Fi g u r 5 ,   t h e n d - to - en d   lo s s   r atio   i s   p r o p o r tio n al  to   th i n cr e m e n t   o f   co n n ec t io n   r ate.   T h e   lo s s   r atio   is   s i g n if ican t   in   b o th   g r ap h s   a f ter   2 0 th   co n n ec tio n   r ates.  T h lo s s   r at io   o v er   s atellites  s ce n ar io   i s   h ig h er   m ai n l y   d u to   th lin k - lo s s   en v ir o n m en t.  T h lo s s   r atio   is   h ig h er   in   B E R   1 0 - 6   co m p ar ed   t o   th o n in   B E R   1 0 - 7   d u to   m a n y   p ac k et s   d r o p p ed   in   th s atellite  n et wo r k s .     T h Vid eo   s tr ea m i n g   tr af f ic  h as  t h h i g h es t   Av erage De lay  ov er S at ell ites 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5 10 15 20 25 30 Conn ec tio Ra te per  Mi nu te De lay  (ms) F T B ER   10^ -7 H T T B ER   10^ -7 Vo D   B ER   10^ -7 Vo I B ER   10^ -7 F T B ER   10^ -6 H T T B ER   10^ -6 Vo D   B ER   10^ -6 Vo I B ER   10^ -6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   2 9 5 8     2 9 6 9   296 6   p ac k et  l o s s   i n   b o th   g r ap h s   m ain l y   b ec au s o f   t h h u g p a ck ets   s tr ea m s   ac r o s s   t h n et w o r k   ele m en t s .   T h tr af f ic  s tr ea m s   co n s ta n b it - r at tr af f ic  f o r   an   a v er ag o f   5   m in u tes  a n d   t h is   m a y   q u ick l y   c o n g es ted   th g lo b al   n et w o r k   s y s te m .   I n   ad d itio n ,   th h i g h er   lo s s   r ati o   o v er   s at ellite  n et w o r k s   is   also   d u to   th p ac k ets  ea r l y   d r o p p ed   b y   th e   ad m i s s io n   co n tr o w h e n   t h e   q u e u b u f f er   e x ce ed s   s o m e   t h r es h o ld   li m its .   T h Vid eo   s tr ea m in g   tr af f ic  is   s et  to   h av lo w er   p r io r ity   co m p ar ed   to   th Vo I P   w h ich   m a k es  it  m o r p r ef er ab le  t o   b e   d r o p p e d   b y   th p r o p o s ed   a d m i s s io n   co n tr o s y s te m .   T h Vo I tr af f ic  h as  th s ec o n d   h i g h est  lo s s   r atio   o v er   th s atellite   n et w o r k s   f o llo w ed   b y   t h e   FT P   an d   HT T P .   A lth o u g h   t h e   p r o p o s ed   co n tr o lled   s y s te m   s u cc ess f u l l y   p r o d u ce s   th o p ti m u m   e n d - to - e n d   d ela y ,   th tr ad e - o f f   w o u ld   b h ig h er   lo s s   r atio   to   th d elay - s e n s iti v e   tr af f ic s .   Mo r eo v er ,   Fig u r 5   p r o v es   t h a t th e   p r o p o s ed   ad m is s io n   co n t r o l s y s te m   h as   s u cc es s f u ll y   lo w er ed   t h lo s s   r atio   o f   t h r o u g h p u t - s en s iti v e   tr af f ic s   co m p ar ed   to   t h d ela y - s e n s i tiv e   tr af f ics   f o r   o p ti m u m   en d - to - e n d   Qo S.     T h e   m ax i m u m   lo s s   r atio   a m o n g   d ela y - s e n s it iv e   tr a f f ics  o v er   s ate llit es  is   co m i n g   f r o m   t h e   Vid e o   s tr ea m in g   tr a f f ic   w h ic h   co r r esp o n d s   to   th v al u o f   0 . 5 2 4 7 .   I n   ad d itio n ,   th m ax i m u m   lo s s   r atio   a m o n g   t h r o u g h p u t - s en s iti v e   tr af f ics   i s   f r o m   th FT P   tr af f ic  w it h   t h v alu o f   0 . 2 4 4 2   o v er   s atellite s   w it h   B E R   1 0 - 6 .   Mo r eo v er ,   th e   m ax i m u m   lo s s   r atio   f o r   HT T P   w eb   tr af f ic  i s   0 . 0 1 3 9   w h i le   th lo s s   r atio   f o r   Vo I P   tr af f i is   0 . 3 4 7 6   in   th e   s atellite  w i th   B E R   1 0 - 6 .           Fig u r 5 Av er ag e n d - to - en d   lo s s   r atio   o v er   s atellite s       3 . 3 .   Av er a g e   E nd - to - E nd   T hro u g hp ut   Flo w   t h r o u g h p u is   ca lcu la ted   b y   d iv id i n g   t h to tal  r ec eiv ed   p ac k et  b y te s   ( P b )   o v er   th d u r atio n   o f   FT P   f lo w   co n n ec tio n .   T h FT P   f lo w   d u r atio n   ca lc u lated   b y   s u b tr ac ti n g   th r ec ei v i n g   ti m o f   last   p ac k et  at  th e   clien t ( t l )   to   t h s e n d in g   t i m o f   f ir s t p ac k et  o f   f lo w   at  th s er v er   s id ( t f ) .   T h en ,   th a v er a g f lo w   th r o u g h p u t   ( B )   in   b p s   is   ca lcu lated   b y   s u m m in g   u p   all  co m p leted   f lo th r o u g h p u t s   an d   d iv id ed   b y   t h to tal  n u m b er   o f   co m p leted   f lo w s   ( f t )   as i n   ( 5 ) .     t f i i i f l b f t t P B t 1 8                   (5 )     Fig u r 6   s h o w s   t h a v er ag c o n n ec tio n   t h r o u g h p u f o r   HT T P ,   w eb ,   lar g f ile   tr an s f er   u s in g   FT P ,   Vid eo   s tr ea m i n g   a n d   Vo I P   ag ain s t   n e w   co n n ec t io n   r ate s   p er   m i n u te  a n d   B E R   v ar iatio n s .   T h e n d - to - en d   f lo w   th r o u g h p u ts   o n   Fi g u r 6   ar cl o s el y   r elate d   to   th p r ev io u s   m en tio n ed   d ela y   an d   lo s s   r ati o   s i m u latio n   r es u lts .   T h g r ap h   also   s h o w s   t h at  t h r o u g h p u t s   ar in v er s p r o p o r ti o n al  to   th i n cr e m e n o f   av er a g n e w   co n n ec tio n   r ates  an d   also   t h B E R   v ar iati o n s   o v er   s a tellite s .   I n   g en er al,   th t h r o u g h p u ts   o v er   s atelli te   n et w o r k s   ar lo w .   T h lo w er   th r o u g h p u ts   co u ld   b r elate d   to   th h ig h er   en d - to - en d   lo s s   r atio s   o v er   t h s atell ites   d u to   th lin k - lo s s   en v ir o n m e n a n d   ea r l y   p ac k ets  d r o p p ed   b y   t h p r o p o s ed   ad m i s s io n   co n tr o s y s te m .   I n   ad d itio n ,   h i g h er   Av erage Loss Rat io  ov er S at ell ites 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0 5 10 15 20 25 30 Conn ec tio Ra te per  Mi nu te Lo ss  Ratio F T B ER   10^ -7 H T T B ER   10^ -7 Vo D   B ER   10^ -7 Vo I B ER   10^ -7 F T B ER   10^ -6 H T T B ER   10^ -6 Vo D   B ER   10^ -6 Vo I B ER   10^ -6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Qo S   b a s ed   A d mis s io n   C o n tr o l u s in g   Mu ltip a th   S ch ed u ler fo r   I P   o ve r   S a tellite Netw o r ks  ( L u kma n   A u d a h )   2967   g lo b al  d ela y   in   t h p r o p o s ed   n et w o r k   s ce n ar io   d u to   th e   q u eu i n g   d ela y ,   p ac k et   r etr an s m is s io n   a n d   d ela y ed   s ch ed u lin g   also   co n tr ib u te  to   t h lo w er   t h r o u g h p u ts .   T h en d - to - e n d   th r o u g h p u ts   f o r   th Vid eo   s tr ea m in g   an d   Vo I P   tr af f ics  ar lo w er   th a n   t h H T T P   w eb   an d   FT tr af f ics  at  all  ti m e   m a in l y   b ec au s th tr af f ic s   ar d esig n ed   w it h   lo w er   m ax i m u m   g e n er ated   th r o u g h p u ts .   As  an   ex a m p l e,   th Vid eo   s tr ea m i n g   tr a f f ic  co u ld   r ea ch   a   m a x i m u m   th r o u g h p u o f   ap p r o x im a tel y   4 7 . 5 Kb p s   w h il th m a x i m u m   t h r o u g h p u f o r   Vo I P   tr af f ic  is   ap p r o x i m a tel y   5 . 5 Kb p s .   T h m i n i m u m   th r o u g h p u t   f o r   Vid eo   s tr ea m i n g   tr a f f ic  o v er   s atel lites   i s   ap p r o x i m atel y   2 2 Kb p s   d u r in g   w o r s ca s e   s ce n ar io .   I n   ad d itio n ,   t h e   m in i m u m   t h r o u g h p u f o r   Vo I P   is   3 . 4 Kb p s   o v er   th s atelli te  n et w o r k s   i n   w o r s ca s e   s ce n ar io .   U n li k t h d ela y - s e n s iti v e   tr af f ic s ,   t h t h r o u g h p u t - s en s iti v e   tr a f f ic s   ar s e v er el y   af f ec ted   to   th e   n e co n n ec tio n   r ate  an d   B E R   v ar i atio n s   d u to   t h T C P   r eliab le   tr an s m is s io n   c h ar ac ter is tic s .   T h r etr an s m i s s io n   p r o ce s s   an d   al s o   t h g lo b al  q u eu i n g   d ela y s   d u r i n g   n e t w o r k   co n g e s tio n   h av e   g r ea tl y   r ed u ce d   th e n d - to - e n d   th r o u g h p u ts .   T h th r o u g h p u f o r   HT T P   w eb   tr af f ic  o v er   s atellite  n et w o r k s   v ar ie s   b et w ee n   ap p r o x i m atel y     540 Kb p s   at  b est ca s e   s ce n ar io   an d   2 1 2 Kb p s   at  w o r s t   ca s e   s c en ar io .   Mo r eo v er ,   th e   th r o u g h p u ts   f o r   FT P   tr af f ic   v ar y   b et w ee n   ap p r o x i m atel y   6 8 8 Kb p s   an d   1 2 . 5 Kb p s   o v er   th s atellite  n et w o r k s .   T h th r o u g h p u ts   o f   FTP  tr af f ic  ar lo w er   th a n   t h HT T P   w eb   tr af f ic  at   m o s o f   th ti m m ai n l y   d u to   th lar g f ile  tr an s f er   o v er   th e   n et w o r k   s y s te m .   Sin ce   t h r an d o m   i n ter - ar r iv al  o f   n e w   co n n ec tio n   d o es n o w ait  u n t il th p r ev io u s   co n n ec tio n   h as  co m p leted ,   t h lar g f ile  t r an s f er   u s in g   T C P   m a y   q u ick l y   co n g est  t h n et w o r k   at  h i g h er   n e w   co n n ec tio n   r ates  an d   B E R   d u t o   p ac k et s   r etr an s m is s io n   p r o ce s s   i n   o r d er   to   s u cc ess f u ll y   co m p lete  t h d ata  tr an s f er .   I n   ad d itio n ,   b o th   o f   th th r o u g h p u t - s e n s it iv e   tr a f f ics  ar i m p o s ed   w it h   t h d ela y ed   s c h ed u l in g   o v er   t h s atell ite   n et w o r k s   s ce n ar io   w h ic h   m a k es th t h r o u g h p u ts   f u r t h er   le ss .           Fig u r 6 Av er ag e n d - to - en d   th r o u g h p u t o v er   s atell ites       4.   CO NCLU SI O N   I n   th i s   p ap er ,   w h a v d o n t h n et w o r k   la y er   e n h an ce m e n u s i n g   n o v el  lo ad   b alan cin g   alg o r ith m   m et h o d   w it h   m u ltip at h   f o r war d in g   o v er   L E a n d   GE O   n et w o r k s   in   o r d er   to   o p tim ize  t h b an d w id t h   u tili za t io n .   An   ad m i s s io n   co n t r o w it h   Di f f s er v   q u e u i n g   s y s t e m   h a s   b ee n   p lace d   in   t h ter r estrial  n et w o r k   to   r eg u late  a n d   d if f er en tia te  tr af f ic  f lo w s   i n   r ea l - t i m b ased   o n   th cu r r en lo ad   b an d w id th   a n d   q u eu le n g th   i n   o r d er   to   r ed u ce   th s ate llit w o r k lo ad   f o r   d ata  p r o ce s s in g .   I n   ad d itio n ,   w e   h a v i m p le m en ted   th e   d ela y   s ch ed u lin g   f u n ct io n   at  th a d m is s io n   co n tr o n o d in   o r d er   to   r ed u ce   th T C P   p ac k ets  d r o p p ed   d u r in g   n et w o r k   co n g es tio n .   F u r th er m o r e,   t h s atel lite s   o n - b o ar d - p r o ce s s in g   s y s te m   ( OB P )   is   i m p le m e n ted   as  a   s i m p le   p r io r it y   q u e u e   f o r   f u r th er   p r o ce s s i n g   b y   p r io r itizi n g   th e   tr af f ic   f lo w   w it h i n   t h e   s a tellite  n et w o r k .   T h e   p r o p o s ed   s y s te m   ai m s   to   ac h i ev o p ti m u m   en d - to - e n d   Qo f o r   b o th   th r o u g h p u t - s e n s i tiv e   an d   d ela y - s e n s iti v e   tr af f ic  t y p e s .   Mo r eo v er ,   w e   f u r th er   i m p r o v ed   t h ad m i s s io n   co n tr o s y s te m   w it h   t h d ela y - s ch ed u lin g   m ec h a n i s m   w h ic h   m ain   ta s k   is   to   d elay   t h th r o u g h p u t - s en s it iv tr a f f ic  at  ce r tain   p er io d   o f   ti m d u r in g   co n g es tio n   p er io d   in   o r d er   to   p r ev en p ac k e lo s s es  b e f o r b ein g   tr an s m i tted   o v er   t h e   s atellite   n e t w o r k s .   Fin all y ,   t h p r o p o s ed   n et w o r k   s y s te m   h as  test ed   i n   b i g - s ca l s i m u la tio n s   to   p r o d u ce   th e   Qo p ar a m eter s   t h at   Av erage Throughput ov er S at ell ites 0 100 200 300 400 500 600 700 0 5 10 15 20 25 30 Conn ec tin  Rate  p er  Mi nu te Th roug hp ut  (Kbps) F T B ER   10^ -7 H T T B ER   10^ -7 Vo D   B ER   10^ -7 Vo I B ER   10^ -7 F T B ER   10^ -6 H T T B ER   10^ -6 Vo D   B ER   10^ -6 Vo I B ER   10^ -6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.