中控型排程穿透式網路 UDP 效能量測

  在此節中，我們將進行二段式穿透式中繼台網路拓樸下傳送 UDP 封包的效能量測，分成 兩個部分進行，第一個部分為基地台與用戶端間的下行 UDP 效能量測；第二部分為經由穿透 式中繼台轉送 UDP 的效能量測。

圖 4-1 基地台與用戶端間下行存取地帶 UDP 效能量測拓樸  

  圖 4-1 為第一部分效能量測的網路示意圖，由 Host、MR-BS 與 MS 組成，Host 模擬經由 骨幹網路傳送 1400 byte 封包大小的 greedy UDP 的資料經由基地台直接傳送至用戶端。我們 將藉由使用不同的調變方式與編碼技術來量測其效能的正確性。表 4-2 為各種調變方式與編 碼技術下，下行可傳輸資料的效能理論值與實際進行 UDP 量測所得到的流量，其中，

scheduled slots 代表經過排程器處理後實際上用來進行用戶端下行資料傳輸的 slots。在此網 路拓樸下，下行子訊框將被全部用來作為下行存取地帶資料傳送所使用，因為下行存取地帶 中包括用來傳送廣播訊息和前置符號的時間，所以實際用來傳送資料的 slot 個數必須扣除掉 前置符號與用來傳送廣播訊息的 slots。

在此拓樸下訊框經過排程器處理後，我們得出在訊框中下行子訊框總共包含 660 個 slots 個數，再扣除掉傳送廣播訊息和前置符號所使用的 slot 個數之後所剩下可用來進行免競爭區 段排程的 slot 個數為 630 個。在目前的設計中，訊框中的 UL-MAP 管理訊息會在免競爭區段 中使用調變編碼方式最健全的 QPSK 1/2 進行編碼，經過排程器計算 UL-MAP 總共會佔用 7 個 slots，但是在目前設計下，slot 配置是以 10 個子通道為單位進行配置，實際上此區塊會 佔用掉 10 個 slots 的下行存取地帶資源，所以若使用不為 QPSL 1/2 的調變編碼方式進行資 料傳送，最後會只剩下 620 個 slots 用來進行上層的資料的傳送，相反的，若使用調變方式 與編碼技術為 QPSK 1/2，則下行資料與 UL-MAP 必須共用整個下行可以進行配置的 slots，

其中 UL-MAP 管理訊息佔用了 7 個 slots，所以會剩下的 623 slots 用來傳輸下行存取地帶資 料。我們將根據下列公式來對所使用的調變方式與編碼技術進行效能計算，表 4-2 為所量測 的結果。

FEC Mode Slot size (Bytes)

Scheduled slots

Theoretical MAC throughputs[TT] (Mbps)

(without UDP/IP header overhead)

Si mulation throughputs[ST] (Mbps)

(with UDP/IP header overhead)

Difference between TT and ST (%) (equal to the UDP/IP

header overhead)

0 QPSK 1/2 6 623 5.840625 5.6771 2.80

1 QPSK 3/4 9 620 8.71875 8.486 2.67

2 16QAM 1/2 12 620 11.625 11.3313 2.53

3 16QAM 3/4 18 620 17.4375 16.9472 2.81

4 64QAM 1/2 18 620 17.4375 16.952 2.78

5 64QAM 2/3 24 620 23.25 22.5985 2.80

6 64QAM 3/4 27 620 26.15625 25.4421 2.73

  表 4-2 MR-BS 與 MS 間在不同調變方式與編碼技術下 UDP 效能

  根據表 4-2 的結果發現 UDP 效能並沒辦法到達 100%，主要的原因是在應用層所傳送的 資料在到達媒體控制層時會被進行封裝並且加上 MAC Header，造成標頭負擔。我們將各層 所產生的標頭考慮進來，並且以下列公式來進行計算：

_ _

在公式中，IP header 與 UDP header 的表頭負擔總共為 28 bytes，mac_header 為媒體 控制層標頭長度為 6 bytes，mac_subheader 則是由於封包可能在最後一個區塊被分割，分 割相關的資訊將存在 mac_subheader 中，於是此欄位可能會存在，長度為 1 byte。另外，

還包含基地台與用戶端用來溝通控制的週期性管理訊息所產生的負擔，例如：換手機制控制 訊息，但是由於此部分管理訊息是以 2 秒為間隔進行週期性傳送，我們將忽略此部分的負擔。

考慮以上因素後，我們可以得到理論上所計算出來的流量扣除掉各層標頭負擔部分所耗費的 頻寬與模擬所得出來的流量相符，標頭負擔部分大約在 2.7%~2.8%之間。

在第二部分中，我們將進行在二段式多段轉傳下行穿透地帶的 UDP 效能量測。圖 4-2

FEC Mode Slot size (Bytes)

Scheduled slots

Theoretical MAC throughputs[TT] (Mbps)

(without UDP/IP header overhead)

Simulation throughputs[ST] (Mbps)

(with UDP/IP header overhead)

Difference between TT and ST (%) (equal to the UDP/IP

header overhead)

0 QPSK 1/2 6 267 2.503125 2.435 2.72

1 QPSK 3/4 9 268 3.76875 3.665 2.75

2 16QAM 1/2 12 268 5.025 4.887 2.75

3 16QAM 3/4 18 269 7.565625 7.358 2.74

4 64QAM 1/2 18 269 7.565625 7.358 2.74

5 64QAM 2/3 24 269 10.0875 9.812 2.73

6 64QAM 3/4 27 269 11.3484375 11.043 2.69

1/2 來進行

表示經由中繼台傳送單位位元資料所耗費的時間會比直接由用戶端傳送資料至基地台來得更 有效率，此時，用戶端會經由中繼台來傳輸和接收資料封包。 

圖 4-4 為基地台進行用戶端最佳傳輸入徑決策時，所得到的用戶端權重圖。在第一個網 路拓樸下，中繼台至基地台所使用的調變方式固定為 16QAM 3/4，而在模擬一開始，用戶端 至中繼台的調變方式為 QPSK 1/2、用戶端至基地台間所使用的調變方式為 64QAM 3/4，根 據表 3-4 的調變方式與權重的對應，我們可以看到在模擬一開始時 Ws < Wp + Wr，所以基 地台被選取作為用戶端的存取台；在第 24 秒時，因為基地台會根據接收訊號強度動態調整 調變方式，用戶端至中繼台的調變方式變為 64QAM 3/4、用戶端至基地台間調變方式變為 QPSK 3/4，此時，上述等式成立，基地台會選擇以中繼台作為用戶端的中繼存取台進行資料 轉送，然後再第 49 秒時，基地台又再次被選擇作為用戶端的存取台。圖 4-5 為用戶端接收 由基地台傳送 UDP 與 TCP 封包的流量圖，由圖中可以看到在模擬一開始時，用戶端會直接 接收由基地台所傳送的 UDP 與 TCP 封包且此時基地台與用戶端之間所使用的調變編碼技術 為傳輸速率最好的 QAM64 3/4 調變方式，此時用戶端的下行的流量約為 22 Mbit/Sec，所得 的流量會比前一小節來得少，主要的原因為在目前排程器的設計上，基地台會根據用戶端 QoS 參數設定配置固定大小的上行資源給用戶端，所以在上行轉送地帶與上行存取地帶上會 各自佔用掉一個 slot 大小的 symbol，也就是 3 個 symbols，所以實際上進行下行子訊框傳送 的 slot 個數經由排程後為 540 個，套用到上一節用來計算流量的公式中可以得到為 22.78125 Mbit/Sec，與我們所量測到的相符。當用戶端逐漸遠離基地台時，基地台會根據訊號品質來 選擇較好的調變編碼方式，所以用戶端的流量會逐漸降低。由圖中可以發現在模擬一開始用 戶端接收由基地台所傳送的下資料，因為用戶端並沒有透過中繼台進行轉送資料，所以下行 子訊框整個區段是配置給下行存取地帶使用，所得到用戶端的下行流量約為 22 Mbit/Sec，

當用戶端逐漸遠離基地台，因為動態調整調變編碼技術的原因，用戶端的流量會逐漸下降；

在第 24 秒左右用戶端的存取台被切換成中繼台，此時，基地台所傳送的下行子訊框會被切 割成下行存取地帶與下行穿透地帶來進行資料傳送，在目前的設計上，下行存取地帶與下行 穿透地帶根據下行子訊框中免競爭區段的大小所使用的比例為 1 : 1；在目前的拓樸下於的 24

秒時，下行穿透地帶所允許配置的 slots 個數為 270 個，理論上，此時用戶端流量應該約為 11 Mbit/Sec，但是實際上我們所量測出來的流量約為 9 Mbit/sec 左右，主因為基地台與中繼 台間所使用的下行調變編碼技術為 16QAM 3/4 而中繼台至用戶端間所使用的調變編碼技術 為 64QAM 3/4，這會造成單位訊框配置上基地台至中繼台的區段成為用戶端流 量 的 bottleneck，導致下行穿透地帶所允許配置的 slots 並沒有完全配置作為下行穿透地帶傳送使 用，所以並沒有達到理論上的流量；然後在第 49 秒時，基地台再次被選取作為用戶端的存 取台，此時基地台與用戶端間的調變編碼技術為 QPSK 1/2，所得到的用戶端流量接近 5 Mbit/Sec。

圖 4-4 用戶端調變方式與編碼技術權重圖-1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56

MS Weight 

Ws Wr+Wp

Time (second)

Weigh

Time (second)

Weight

  圖 4-5 用戶端下行 TCP 與 UDP 流量-1

RS 2 RS 1

  圖 4-6 用戶端最佳傳輸路徑選擇網路拓樸-2

  圖 4-6 為我們進行最佳路徑選擇的第二種網路拓樸，由一個 Host、一個基地台、二個中 繼台與一個用戶端所組成，在此拓樸中我們會由 Host 傳送 UDP 與 TCP 封包經由基地台至 用戶端並且進行流量的量測，並且觀察用戶端在中繼台間進行切換對於流量的影響。圖 4-7 為用戶端經由中繼台進行最佳路徑演算法的權重圖，在模擬一開始時，由於中繼台尚未完成

0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00 24.00 27.00

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56

Throughput (Mbit/Sec)

Time (Sec)

MS Throughput  

TCP Throughput UDP Throughput

入網程序，此時用戶端是直接透過基地台接收由 Host 所傳送過來的封包，在約第 4 秒時，

透過最佳路徑演算法基地台會選擇以 RS1 作為用戶端的中繼存取台進行封包轉送，然後約第 23 秒時，用戶端會切換成以 RS2 為存取台，接收 Host 所傳送的封包，最後在第 36 秒左右 因為透過 RS2 進行 two hop 轉送封包並沒有直接由基地台傳送封包來得有效率，所以用戶端 是直接經由基地台接收由 Host 所傳送的封包。圖 4-8 為由 Host 傳送至用戶端的封包流量圖，

由圖中可以當用戶端在於同一基地台服務範圍內在中繼台間進行切換時，原本與基地台已經 建立好的連線並不需要重新進行建立，在資料封包傳輸方面並不會造成大量的遺失，在 TCP 資料封包傳輸上，我們使用了兩種不同的 TCP congestion control algorithm 的版本進行量測，

由圖中可以看到使用 reno congestion control algorithm 的 TCP 版本在第 23 秒因為中繼台的 切換造成 TCP 降速機制被啟動使得流量下降，另外一種 cubic congestion control algorithm 的 TCP 版本則因為使用 TCP SACK 機制使得降速機制沒有被啟動而維持一定的傳輸速率。

由於資料封包是透過中繼台進行二段式的傳送，所以使得訊框中有大約一半的資源必須用來 提供中繼台進行下行穿透地帶的利用，在目前此網路拓樸下，由於中繼台為固定式的所以當 中繼台完成入網程序後，中繼台與基地台間所使用的調變編碼技術就不會改變，但是用戶端 與中繼台和用戶端與基地台間的調變編碼技術會隨著用戶端移動而進行動態的調整，在目前 模擬環境中，中繼台與基地台間使用的為傳輸速率最好的 64QAM 3/4 調變編碼技術，所以 當中繼台與用戶端也使用此種調變編碼技術時，在目前排程器的設計方式下，用戶端所能夠

由於資料封包是透過中繼台進行二段式的傳送，所以使得訊框中有大約一半的資源必須用來 提供中繼台進行下行穿透地帶的利用，在目前此網路拓樸下，由於中繼台為固定式的所以當 中繼台完成入網程序後，中繼台與基地台間所使用的調變編碼技術就不會改變，但是用戶端 與中繼台和用戶端與基地台間的調變編碼技術會隨著用戶端移動而進行動態的調整，在目前 模擬環境中，中繼台與基地台間使用的為傳輸速率最好的 64QAM 3/4 調變編碼技術，所以 當中繼台與用戶端也使用此種調變編碼技術時，在目前排程器的設計方式下，用戶端所能夠