無線網路排程

有線網路因為是透過線路直接端點對端點傳輸，並且線路會藉由特別的設計 而不會輕易地被外界的干擾影響到線路內傳輸的訊號，因此電子訊號在其中傳輸 並不會快速地衰減，只要連接線路就可感測到訊號而不受距離影響，有線的傳輸 環境相較之下比無線環境單純許多，因此大多的有線排程方法都是假設傳送過程 不會出錯。

無線網路由於直接在開放式的空間中作傳輸，因此會直接地遭受到來自各方 面外在亦或本身的干擾以及遮蔽，也因為無線傳輸受到干擾的情形相當普遍，所 以在設計無線網路排程的時候，不只要設計排程方法，必須額外包含一些輔助於 排程方法的元件，使得系統排程更有效率也較為公平。

從參考文獻[4]中列出一些現今設計無線方法排程所包含的幾個重要元件：

1. 無錯服務模組：

在無線排程設計中，會以頻道不遭受到干擾等錯誤為前提來設計一基礎的排 程方法，通常會挑選一適當的有線網路排程方法來作為基本排程方法，挑選不同 的基本排程方法便會影響到系統的整體特性。

2. 領先/落後計數器：

領先/落後計數器是用來記錄每一個連線階段所預期被保證服務的量與實際 被服務的量之間的差距，這個計數器所記錄的值傳送給排程器來當作參考依據，

對於服務量不足或是超出的連線作適當的調整以符合要求。

3. 補償模組：

當無線傳輸遭遇到干擾或是遮蔽而無法正確傳送時，為了有效利用系統資源 而不浪費，會將此時原來傳送會使用到的資源先挪移給其它的連線階段所使用，

如此就能夠避免掉不必要的傳送以提高整體系統效能。不過為了公平起見，原先 因為頻道狀態不佳無法傳送的連線階段，當頻道回復到可傳送的狀態時，便會希 望系統給予更多的服務，以能夠連同之前因頻道狀態不佳而無法傳送的資料，以 及目前所需要傳送的資料都傳送出去以符合該時刻所應被保證服務的量。

另外有些方法還會包含以下設計：

z 對於每個連線階段將插槽(slot)與封包佇列(queue)分離開來：每次傳送時並 非進入封包佇列即可傳送，必須獲得插槽方可順利傳送出去，這對於時間敏 感以及錯誤敏感的連線階段具有良好的支援。

z 能夠監控以及偵測無線頻道狀態的方法：對於傳送所要使用的無線頻道狀態 能夠事先掌握的話，就能改變調變使用適當的方式傳送抑或避免掉不必要的 傳送。

簡稱 漏桶(Leaky b

之間競爭的連 st-case Fair 不僅代表越接

來計算所設計 否夠接近於

alized Proce 運作的方式

essor Sharin 式為對於每一

7

8

2.4 WF²Q+演算法

在多個有線網路的排程方法之中，參考文獻[6]作者所提出的最差情形公平權 重公平排隊(Worst-case Fair Weighted Fair Queueing，簡稱 WF²Q)演算法，相同 作者在參考文獻[7]中，提出改良式的 WF²Q+，即為我們用以作為無線網路排程 方法的無錯服務模組，WF²Q+為封包系統上實作一接近 GPS 的排程方法，相較 於其他的有線網路排程方法，WF²Q+的 WFI 值比起大家所熟知的循環式(Round Robin，簡稱 RR)以及過去被當作公平排程演算法中的代表–權重公平排隊 (Weighted Fair Queueing，簡稱 WFQ)都還要小，所以是一個更為接近 GPS 的封 包系統上的演算法。WF²Q+選擇封包的策略與 WF²Q 相同，不同之處在於使用

9 樣的運作方式符合工作保留¹(Work-conserving)機制。

2. 以流量系統下封包的到來順序為準，每一次有封包來到或離開，便用虛擬系

圖2.4 主要

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第三章   ^研究議題

本章節主要闡述本篇論文中所使用的設計架構，並針對系統架構中各主要元 件的運作方式以及功能作進一步的說明。

3.1 排程器設計架構

由於WiMAX 是基於服務品質所設計的無線網路架構，對於每一個需經過排 程發送的封包都要標示屬於某一種服務品質類別(QoS class)，在參考文獻[3]中已 制訂的服務品質類別有以下五種：

z UGS (Unsolicited Grant Service)：提供需要即時性跟週期性並且資料流為固定 位元速率(Constant Bit Rate，簡稱 CBR)以及固定尺寸大小的服務，優先權為 最高的，由於基地台會週期性地主動分配固定的所需頻寬，所以在作排程時，

可以直接從系統所有的頻寬中先分配所需部份的給這類型的服務，而不用放 入排程器中作排程。

z RT-VR (Real-Time Variable Rate Service)：資料流為變動速率以及變動尺寸大 小，需要有即時性的處理，基地台會週期性地給予詢問(Polling)來變更其所 需資料流速率跟頻寬，但是行動節點並不可參與競爭頻寬，優先權次於 ERT-VR。

z NRT-VR (Non-Real-Time Variable Rate Service)：屬於非即時性的服務，資料 流為變動速率以及變動尺寸大小，由於並非需要即時性的服務，所以是屬於 延遲容忍(Delay-Tolerant)的，優先權次於 RT-VR，分配頻寬時要等比其優先 權高的服務都分配完後，才會分配給此種服務，行動節點可藉由競爭的方式 來搶得機會送出頻寬要求(Bandwidth Request)。

z BE (Best Efforts Service)：已定義的服務中優先權最小的，有剩餘頻寬時才會 分配給此種服務，行動節點可藉由競爭的方式搶得機會送頻寬要求。

z ERT-VR (Extended Real-Time Variable Rate Service)：為參考文獻[3]中所新制 訂的服務品質類別，結合了UGS 以及 RT-VR 的優點，優先權次於 UGS，資 料流為變動速率以及變動尺寸大小，但是如同 UGS 服務，基地台會週期性 地主動給予預設部分的頻寬，所以也可以不必經由排程器就先直接分配預設 頻寬，頻寬不足時行動節點可藉由詢問或是競爭等額外方式獲得更多所需的 頻寬。

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圖 3.1 為 WiMAX 系統下基地台的媒介存取控制層(Media Access Control Layers，簡稱 MAC Layers)結構圖[2]，基於此架構，經排程器排程過後的封包在 無線環境傳輸過程中，會因為遭遇到干擾或是遮蔽而無法順利地傳送資料，為了 不浪費系統資源作不必要的傳送以提高整體系統效能，而將系統資源改為分配給 其他可以順利傳送的連線階段，等到頻道恢復至可傳送的狀態時，再對於這些連 線階段作補償以達到公平性，於是我們基於參考文獻[8]的設計架構理念，將原 先的補償器(Compensator)修改為效能調節器(Performance Conditioner)，以期系統 資源分配能更為公平，在下一節我們將會詳細介紹該元件的功能。

圖3.1 WiMAX 基地台媒介存取控制層

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本篇論文設計的系統架構如圖 3.2。

圖3.2 系統架構圖

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3.2 效能調節器

本論文系統架構中，所使用的效能調節器，主要有兩個功能，以下分兩個小 節來詳細說明。

3.2.1 CINR 回報

在 WiMAX 所制定的規格當中，在使用正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，簡稱 OFDMA)技術之下，行動節點對於 所接收到的訊號跟其他干擾相除得到的實際載波對干擾與雜訊比(Carrier to Interference-plus-Noise Ratio，簡稱 CINR)值，藉由運算可以將實際 CINR 值轉換 成有效CINR 值，而此數值也就是實際上行動節點向基地台申請改變調變編碼技 術(Modulation Coding Scheme，簡稱 MCS)時的下行間隔使用碼(Downlink Interval Usage Code，簡稱 DIUC)值，將這個值回報給基地台後，基地台可以藉由跟預設 的各種調變速率上限門檻值以及下限門檻值作比較，以便讓基地台知道目前的調 變技術對於該行動節點來使用是否不夠可靠抑或太過保守而作改變，門檻值的比 較方法如圖3.3[2]。

圖3.3 CINR 門檻值比較表

在效能調節器中即具有得知行動節點回報頻道訊號狀況的功能，得到此數值 之後便將其資訊傳遞給排程器，再讓基地台來決定是否要改變MCS 以符合行動 節點的狀況。倘若MCS 已經設定改為 BPSK 1/2 後，行動節點仍然覺得不夠可

15 段遭受短暫沉寂(Temporal Silence)，在下一小節我們將詳述此問題，以及改善此 問題的方法。

我們稱這種補償方式為落後優先(Lag First)。使用落後優先的補償方式將會使得 領先的連線階段遭遇到短暫沉寂，因為系統從這些連線階段取走傳送機會給予落

的Jain’s fairness index 來評估各連線公平性：

(7)

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連線階段，而1-α的部份是分配給其他的連線階段，其中包括領先以及持平的連 線階段，以這種方式來分配系統資源的話，領先的連線階段就不會像在落後領先 補償方式中每次都無法傳送任何的資料，而能保持在一最低限度的資料量。不過 α這個值該如何設定就比較困難，如果給予一固定值肯定無法適用於不斷變動的 無線環境，所以α必須是動態變動的。另外從使用者以及連線階段的角度去思考，

如果資料傳輸是突然性的變化，都是比較不令人滿意的，舉例來說：在傳輸過程 中如果資料傳輸只是瞬間的突然變慢，使用者便會覺得服務品質不太穩定；如果 資料傳輸如果突然變快，但是又馬上回覆到正常的傳輸，因為資料的傳輸忽然變 快又變成慢的，一樣會對服務品質覺得不太滿意，因此資料的傳輸過程能夠以緩 和的方式變化，如此才不會因為立即性的變化而查覺到服務品質有突然的變化而 覺得不滿意。

為了不讓α值變化太過急遽，因此我們選擇使用一遞減指數函數作為設定α 值之用，因為遞減指數函數在座標軸數值變動時，會呈現緩和的曲線圖，我們所 使用的遞減指數函數如下：

(8)

，其中αmin代表落後的連線階段最少會被分配到的比例，而 x 表示持平以及領 先的連線階段與落後的連線階段的比例；遞減指數函數曲線圖如圖3.4。

圖3.4 遞減指數函數圖 1

1 1

1 _{min 1 min}

− + −

−

= − ⁻ e e e

e

x α

α α

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藉由公式(8)的運算來作分配，當整個系統都屬於落後的連線階段時，則α=1，

也就是所有的系統資源都分配給落後的連線階段；當非落後的連線階段與落後的 連線階段一樣多時，則α=αmin，也就是落後的連線階段會被分配到預設最少的 系統資源，如此就能兼顧所有的連線階段都被服務到而不會有短暫沉寂的情形發

也就是所有的系統資源都分配給落後的連線階段；當非落後的連線階段與落後的 連線階段一樣多時，則α=αmin，也就是落後的連線階段會被分配到預設最少的 系統資源，如此就能兼顧所有的連線階段都被服務到而不會有短暫沉寂的情形發