多媒體無線網路的傳輸演算法設計

由於無線網路所帶來的便捷性，愈來愈多 的網路使用者擺脫有限的束縛，轉而改使用具 有高移動性、高方便性的無線網路。其中最大 宗的應用當屬多媒體的傳輸，像是即時影像串 流傳輸或者是最近使用率節節上升的網際網

路語音服務等，都是相當重要也是相當具有市 場潛力的應用。

雖然無線網路具有方便這項極重要的優 點，但是無線網路本身也是擁有不可忽略的缺 點。由於是無線傳輸的性質，在傳輸的過程中 必須將一些無法預測的訊號考慮進去，像是週 遭環境所造成的雜訊，或者是在傳輸範圍內其 他正在傳送的節點所發出的干擾訊號。由於上 述的因素，使得在無線網路上傳送多媒體資料 時，不像是在有線的環境般比較容易得到品質 服務的保證。如何在無線環境的挑戰之下，還 能夠達成多媒體的品質服務傳輸，一直是網路 專家們努力研究的課題之ㄧ。

3.4.2 研究目的

IEEE 802.11 是目前無線區域網路最主要 的標準之一，它的運作模式分成兩種：分散式 協調功能（DCF）與集中式協調功能（PCF）。

市面上的無線網路卡由於複雜度的關係，以分 散式協調功能為主流。不過由於分散式協調功 能所採用的是載波檢測多路存取/碰撞避免

（CSMA/CA）的機制，是一種以競爭為基礎 的媒體存取方式，所以並沒有任何的品質服務 保證，如果想要確保多媒體在 802.11 的傳輸達 到一定的品質保證，我們必須要設計某種的機 制來滿足軟性的頻寬保證。

考慮如圖二十五所示的系統架構：

圖二十五 MoIP 系統架構

假設 MoIP 節點是屬於同一個控制中心所

Normal nodes

MoIP nodes (Interference-Resistant)

部署的無線網路基地台，這些基地台的位置由 於是統一部置的關係，所以在實地的配置之前 即有可能針對干擾的範圍做了某種程度的最 佳化規劃。至於其餘的 Normal 節點則是個別 單位基於方便而獨立佈置的基地台。如此一來 便有可能影響到了原本的規劃而使得在 MoIP 節點上傳輸的效能受到影響。本研究的目的便 是基於此原因，希望可以想出一種機制來解決 上述的問題。

3.4.3 研究方法

為了確保 MoIP 節點的效能，一個重要的 關鍵就是確保 MoIP 節點搶到頻道的機會。根 據 IEEE 802.11 的標準，我們知道一個傳輸的 節 點 搶 到 頻 道 與 否 是 跟 該 節 點 的 競 爭 窗 口

（contention window，CW）大小有很大的關 係。一般而言，CW 較小的節點能夠搶到頻道 的機會比較達，相反的，CW 較大的節點搶到 頻道的機會相對比較小。根據這個觀察，我們 所想出的方法就是週期性的將 MoIP 節點的 CW 值設成系統預設的最小值（CWmin），如 此一來 MoIP 節點就會有較多的時間是處在 CW = CWmin的情況下，進而也就有較大的機 會去搶到頻道的使用權。此種方法的示意圖如 圖二十六所示：

圖二十六 MoIP 節點的競爭窗口(CW)

圖中的上列是 Normal 節點，下列是 MoIP 節點。由於 MoIP 節點定期的重設 CW 值，所 以我們也可以預期在這種情況之下，Normal 節點對於 MoIP 節點的干擾可以獲得紓解。為 了更進一步了解我們所設計的方法所能帶來

的 效 果 是 如 何 ， 我 們 首 先 利 用 數 學 上 的 Markov chain 來當成定量分析的工具，並且最 後會搭配網路模擬工具，NS2，來驗證所分析 的結果是否正確。

使用 Markov chain 作為無線網路效能分 析的工具是其來有自，像是[35][36][37]。我們 藉由這三篇論文所引發的想法，再加上對於所 提出的機制的觀察，我們可以分別針對 MoIP 節點以及 Normal 節點畫出它們所對應的狀態 轉換圖，分別如圖二十七和圖二十八所示。每 一個狀態都有兩個隨機變數，分別代表節點目 前所處的後退階段（back-off stage）以及時 槽同餘週期。

圖二十七和圖二十八中的紅線代表狀態 轉移機率是 p，綠線則是代表 1-p，而藍線則 是 1。其中 p 代表的是碰撞機率。根據圖二十 七和圖二十八的狀態轉換圖我們可以推導出 MoIP 節點以及 Normal 節點的傳輸機率和碰撞 機率。有了這兩個值之後，便可以更進一步的 探討期望的吞吐量和在每一個週期內各節點 傳送一次以上的機率。

圖二十七 MoIP 節點的狀態轉換圖

CW=CWmin CW=CWmin CW=CWmin Throughput

Throughput

Time Time

0,1 1,1 2,1 … m-1 m,1

0,2 1,2 2,2 … m-1 m,2

0,3 1,3 2,3 … m-1 m,3

…

0,m 1,m 2,m … m-1 m,

0,m 1,m 2,m … m-1,m m,m+

p

圖二十八 Normal 節點的狀態轉換圖

至於模擬的部分，我們採用目前頗具有公 信力的網路模擬程式──NS2。我們新增了部 分程式碼已達到我們所設計的要求。模擬的示 意圖如圖二十九所示：在一個 100x100 的方格 中 放 置 兩 個 基 地 台 ， 分 別 是 MoIP 節點和 Normal 節點的基地台，接著隨機的撒上若干 個節點，連上所對應的基地台，然後在每一組 節點跟基地台的配對上傳送 CBR（constant bit rate）流量，並且調整流量跟流量之間的間距，

使其達到飽和的狀態。重複上述的步驟 25 次，

求其平均值，藉此和數學分析的結果相對照。

圖二十九 模擬示意圖

3.4.4 結果與討論

我 們 首 先 將 數 學 分 析 所 推 導 出 來 的 結 果，也就是 MoIP 節點以及 Normal 節點的碰 撞機率和傳輸機率分別如圖三十和圖三十一

所示：

圖三十 MoIP 節點以及 Normal 節點的碰撞機率

從圖三十中我們可以看到雙方的碰撞機 率隨著節點的增加有上升的趨勢，而且從圖中 可以明顯的看出 Normal 節點的碰撞機率較 MoIP 節點來的高，且隨著點數的增多，雙方 的差距也慢慢為顯著。

圖三十一 MoIP 節點以及 Normal 節點的傳輸機率

至於圖三十一所畫出來的傳輸機率，更是 可以看出我們所設計的方法讓 MoIP 節點相較 於 Normal 節點，有更多的機會搶到頻道的使 用權。點數少的情形跟點數多的情形之間的差 距一目瞭然。

以上兩個是最基本的衡量標準，接下來便 更進一步的看由這兩個值所推導出的吞吐量

（throughput）以及由模擬程式所跑出來的結 果，我們將成果展示在圖三十二。

圖三十二 吞吐量(Throughput)的推導值以及模擬結果

0,1 1,1 2,1 … m-1 m,1

0,2 1,2 2,2 … m-1 m,2

0,3 1,3 2,3 … m-1 m,3

…

0,m 1,m 2,m … m-1 m,

0,m 1,m 2,m … m-1, m,m+

1-p

1-p

1-p p

100m

100m

MoIP normal

… …

圖三十二的橫軸代表雙方的節點個數，其 number of node

probability (number of node (greedy) = 2)

0 0.5 1

1 3 5 10 20

number of node (normal)

probability

以上是我們目前研究的進度以及一些成 果，我們所設計的方法就結果來看是的確可以 保證 MoIP 節點佔到了優勢，而使得效能提高 了。不過就另外一個角度來看，MoIP 節點似 乎太貪心（greedy）了，以公平性而言，是犧 牲掉了 Normal 節點的效率。因此為了更能夠 不失公平原則，我們可以稍微修改原本如圖二 十六的設計，改成如圖三十七所示：

圖三十七 修改過後的 MoIP 競爭窗口

圖三十七跟圖二十六的差別在於新的設 計將原本的一個週期區分成 Tr和 Tn，在原本 的設計中，無論是 MoIP 節點或者是 Normal 節點在每個週期內都會傳送資料，經過區分之 後的週期，MoIP 節點將只會在 Tr 內傳送資 料，在 Tⁿ時將暫時停止傳送封包；而 Normal 節點則是一樣在整個週期內都會持續的傳送 封包。至於 Tr和 Tn的取法則是盡可能使得在 這種情況之下，MoIP 節點的期望平均吞吐量 和 Normal 節點的期望平均吞吐量是相同的，

以滿足我們上述關於公平性的議題。有了我們 對 於 媒 體 存 取 層 做 的 設 計 ， 在 部 分 的 時 段 MoIP 節點有較高的機會搶到頻道，我們便可 以利用這項資訊提供給屬於應用層的串流編 碼端以到達跨階層無線多媒體網路的設計，如 圖三十八所示。

Application Transport Network Data Link Physical

圖三十八 跨階層無線多媒體網路的設計

3.5 聯合式訊源與通道編碼