1. 第一章 緒論
1.4 論文組織架構
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用下，許多即時性的串流服務有 delay 上的限制，傳輸品質的保證是很重要的課 題，在 IEEE802.16 規範中，各項傳輸類別 QoS (Quality of Service)頻寬需求是需 要被保證的，當 MR 網路環境中有大量的資料傳輸，不同等級的資料封包更需要 有良好的排程。MR 網路中一個 frame 分為 uplink subframe 及 downlink subframe，
底下又再細分為 relay zone 及 access zone，有效的分配 relay 所需的頻寬可使封包 不致等待過久而過期，access 中調整傳輸類別的先後順序，同時也要考慮附近是 否有連線也要傳輸的干擾問題。
在 IEEE 802.16j 中並無明確規範 scheduling 的規則，因此設計一套可應用於 中繼網路型態且有效率的排程演算法對於 MR 的網路效能是很有幫助的。
1.4 論文組織架構
本論文架構如下，第一章緒論介紹 WiMAX 背景、IEEE 802.16j 新增的 Relay Station，不同的 Relay Mode， 以及研究的動機與目的。第二章介紹本研究相關 背景與議題內容，參考了國內外在 MR 網路環境中的 frame scheduling，及 access zone 與 relay zone 的頻寬分配問題，第三章說明三個面臨的問題，分別為允入 控制對連線的優先權篩選、MR 網路環境中傳輸時的干擾以及各 RS 在 access zone 中頻寬配置的浪費。我們提出三個方法處理上述問題，並將做法寫成虛擬 碼實作在 NS2 模擬器裡。第四章說明我們的模擬環境及實驗數據，並分析實驗 結果。最後一章總結提出方法所改進的重點與未來的研究方向。
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2. 第二章 相關研究
2.1 Frame Scheduling
在 MR 中，多個 hops 數的轉傳使得每個 frame 需要切割分配給 relay link 或 是 access link 使用的 subframe，而根據環境中不同的 hops 數，分配不同 hop 使 用的 subframe，大小亦有所不同，然而依據傳統固定的切割方式在多變的網路環 境中，不能有效利用頻寬，及時符合傳輸需求。Ghosh 等在[6]中提出調整 access zone 與 relay zone 的大小，讓 MR-BS 收集計算所有透過 transparent relay 的 MS 連線需求，再以這些 access link 中頻寬需求最高者做為該次 scheduling 的 access zone 長度，如下式所示，
𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑍𝑜𝑛𝑒𝑃𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛
= max(𝑆𝑢𝑚𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠, 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎
1), 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎
2) … , 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎
𝑛))
(1) 其中𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎𝑖)表示 non-transparent RS i 底下 MS 所需的 slots 總數，再計算 relay zone 的比例。假說𝑇𝑅𝑖為 transparent RS i relay link 之頻寬需求，而𝑁𝑅𝑖為 non-transparent RS i relay link 之頻寬需求。𝑂𝑅𝑍𝑃𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑁𝑅
1+ 𝑁𝑅
3+ 𝑁𝑅
5+ ⋯ + 𝑇𝑅
1+ 𝑇𝑅
3+ 𝑇𝑅
5+ ⋯
(2) 在(2)中 ORZProportion 表示 Odd 標號的基地台，亦以相同方式計算出 Even 標號 的 ERZProportion，再根據三項頻寬累計的評估去決定 subframe 中 access zone 及 relay zone (分為 odd 與 even)分割比例。圖 2-4 顯示動態調整的傳輸區塊長短在網 路傳輸中能達到較高的 traffic admittance。‧ 國
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圖 2-1 Adaptive Zone vs. Fixed Zone Allocation [6]
[6]中除了計算各 MS、RS 分別在 access link 與 relay link 的頻寬需求，依比 例區分 access zone 及 relay zone 大小，並觀察網路的穩定程度調整 scheduling 的 時間，設定一區間 SP (Scheduling Period)上下限，依網路傳輸速率升減調整，調 整的方式為當達到設定門檻及兩倍增加/減少 SP 的區間。但當網路不穩定時，資 源介於門檻值附近變動，觀察前幾個 frame 進而動態調整 SP 的方式會造成反覆 調整的動作過多變成系統負擔。
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圖 2-2 Example of Wasting Resources in IEEE 802.16j System [10]
Baek 等在[10]中也表示同樣看法，認為固定的 access zone 及 relay zone 大小 無法有效利用網路效能。作者指出固定配置的 access zone 中所浪費的頻寬，如 圖 2-2 中所顯示，在各基地台之間因為固定 access zone 大小，導致 RS1、RS2、
RS3 三個基地台都有頻寬的浪費。在[10]中，作者以 access link 前一個 hop 為 relay link，提出以前一次 relay zone 去估計下一個 frame 的 access zone 的算式。亦即 在同一個基地台中，於t frame 的 relay 傳輸量會等同於在𝑡 + 1 frame 的 access 傳輸量，因而導出下列公式，
𝑇
𝑎(𝑁, 𝑡 + 1) = 𝑅
𝑟(𝑁, 𝑡) × *𝑇
𝑟(𝑁, 𝑡) + 𝑇
𝑟𝑒𝑇𝑋(𝑁, 𝑡)+
𝑅
𝑎(𝑁, 𝑡 + 1)
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ + 𝑇
𝐵𝑢𝑓𝑓(𝑁, 𝑡 + 1)
(3) 上式中，N 為基地台的編號，BS 編為 0，RS 編為 1,2,3…，𝑅𝑟(𝑁, 𝑡)為基地台 N‧
relay zone 的方法無法有效利用頻寬。在[6][10]中，都是動態地選擇最大的 access link 頻寬需求作為 access zone。雖然以動態的方式配置 zone 的大小能減少頻寬 浪費，但這樣的作法在眾多轉傳基地台中若各自底下的 traffic 需求懸殊時仍然會 造成有些 RS 需要等待最長的 access zone，導致 access 的頻寬浪費，舉例來說，在一個 centralized 的 MR 網路中，BS 底下有三個 RS，若 BS 底下所需的 access 頻寬為 20ms，RS 所需 access 頻寬時間的長度分別為 10ms、5ms、3ms，則會有 一個 RS 最多等待 17ms 的時間導致頻寬的浪費。因此如果能使每個基地台在 access zone 中沒有浪費太多頻寬，就可提升網路頻寬的使用率，改進整體效能。
Wang[9]根據 QoS 中等級較高的即時性封包做了優先權的調整，提出一套 Real-Time-service-based Distributed Scheduling (RTDS)的排程機制，目的在於減低 BS 的負擔，所設計的機制會套用在 RS 上。依據 QoS 等級加強即時性封包的服
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務連線，利用不同等級封包的 delay 限制提升優先傳輸的先後順序或考量公帄問 題調整、降低封包傳送的先後順序，整個 RTDS 架構如圖 2-3，主要是計算服務 delay 限制及分配優先順序，再依系統資源去分配頻寬。
圖 2-3 RTDS 架構圖 [9]
在[9]中，定義一個優先權等級的算式供資源分配時去判斷哪一個連線優 先：
𝑃
𝑖𝑇= 𝑃
𝑖𝐼+ 𝑃
𝑖𝐷+ 𝑃
𝑖𝐶− 𝑃
𝑖𝐹(4)
i 為連線的編號，𝑃𝑖𝑇為最終計算出的優先順序等級，𝑃𝑖𝐼是起始服務類別的級別，
UGS 為 5、ertPS 為 4、rtPS 為 3、nrtPS 為 2、BE 為 1；𝑃𝑖𝐷表示可以承受的等待 程度，𝑃𝑖𝐷越低表示服務越不急迫，還可容許較多的等待時間；𝑃𝑖𝐶表示同類別的 i 連線中 critical packet 的比例，而 critical packet 在這篇中定義為當封包剩餘的等 待時間小於一個 frame 的時間，即認定為 critical packet，如下式所示：
𝜔
𝑖− 𝑇
𝑊≤ 𝑇
𝐹(5)
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𝜔𝑖為 i 連線類別的 delay 限制，𝑇𝑊是封包已等待的時間，𝑇𝐹是一個 frame 的長度，
delay 之關係如圖 2-4。𝑃𝑖𝐹為一個公帄係數，用來維持封包順序調整的公帄性封 包時間，最後計算出𝑃𝑖𝑇，並依照𝑃𝑖𝑇的優先順序配置頻寬給該連線。
圖 2-4 Packet Delay Time 關係圖 [9]
在[9]中提出一套計算 link 優先等級的方法，在分配 access zone 時可以有效 安排較急迫的連線，避免太多過期的無效封包，減少頻寬的浪費。當連線之間沒 有干擾時，RTDS 可以發揮很好的 delay 控制，但當 RS 佈建密集時，連線之間 的距離變得很近彼此間會產生干擾，即使把急迫封包提高優先權仍會因為發生碰 撞而重傳，最後仍會造成效率低落。
2.2 Interference
在[7]中，根據[11]在各個 hop 的連線上以 odd、even 間隔編號，分別在分配 odd 或 even 的傳輸時間中傳輸，降低相近連線的彼此干擾。[7]中提出一個找尋 可用 slot 的演算法，而這些 slot 所用的 subchannel 或時間皆不會互相干擾，提出 的排程分為兩階段。第一階段依照 link 需求給予最大頻寬(maximum bandwidth)，
但在超過最小需求頻寬(minimum bandwidth requirement)的 slot 上做標記，這些標 記的 slot 稱為 extra slot，在分配每個 link 需求時，當系統無法給予最小頻寬需求 (minimum bandwidth requirement)時，即執行第二階段去找出之前做上標記的
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extra slot，將這些 slot 拿來使用。這樣的做法可以確保可用頻寬使用最大化，避 免頻寬的浪費，不過在該篇中並未明確說明如何找尋沒有互相干擾的 slot。
圖 2-5 Example of partner selection [12]
[12]提到當 MS 訊號不良、收訊不佳時可以透過旁邊訊號較好的 MS 幫忙轉 傳資料。在此會遇到兩個問題，第一個是何時該選幫忙的 MS，第二是如何選擇。
當系統中的錯誤偵測計算出此一 link 封包傳遞錯誤的機率很高時，便向上層通知 RS 或 BS 需要重新規畫到目的地 MS 的路徑。此篇中提出一個估算 delay 的方法，
𝐷𝑝 = 𝐷𝑒+ 𝐷𝑐。𝐷𝑝為整條路徑的 delay，𝐷𝑒為 MR-BS 傳送到幫忙轉送的 MS 的 delay，𝐷𝑐為目的地 MS 與幫忙之 MS 間的 delay，如圖 2-5 所示。因為鄰近可以 幫忙的 MS 可能不只一個，所以作者根據 Weighted Moving Average (WMA)的方 法計算𝐷𝑐，如下式：
𝑊𝑀𝐴
𝐷𝑐= ∑
𝑀−𝑛+1𝑖=𝑀(𝐷
𝐶𝑖× 𝑊
𝑀−𝑖+1)
∑
𝑛𝑖=1(𝑊
𝑖)
(6)
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2.3 Quality of Service
IEEE 802.16 的主要優點之一，是能提供服務品質（Quality of Service，簡稱 QoS）需求的服務，主要是針對即時性的應用服務，例如：視訊會議、網路電話 等對於延遲（delay）及抖動（jitter）反應較敏感的服務。為了達此目的，IEEE 802.16 的媒體存取控制是以連線導向（connection-oriented）的方式進行設計，針對每一 連線或每一基地台進行頻寬要求及頻寬配置。IEEE 802.16j 標準定義是延續 IEEE 802.16-2004 標準的，所以並無差異。
在標準定義中，Service flow 是用來做 QoS 管理控制的基本單位。一個 service flow 是媒介存取控制層用來進行單向的封包傳送。在上行方面是由 MS 進行封包 傳送，在下行方面是由 MR-BS 進行封包傳送。每一個 service flow 的特性是由 QoS 的參數所決定，這些參數包括：延遲（latency）、抖動（jitter）、吞吐量
（throughput）、最小保留速率（minimum reserved traffic rate） 和最大維持速率
（maximum sustained traffic rate）。每個 service flow 皆經由傳送 Dynamic Service Addition （DSA）、Dynamic Service Change （DSC）和 Dynamic Service Deletion
（DSD）訊息的方式，進行建立、改變和刪除，此可分別由 MS 或是 BS 發起，
有效管理 QoS 的運作。上行方向，MS 發起 DSA-REQ 請求連線。MS 發出
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DSA-REQ（Dynamic Service Addition Request）訊息給 MR-BS，MR-BS 收到請 求必頇先回覆 DSX-RVD （DSX Received）告知 MS 等待 MR-BS 回覆 DSA-RSP
（DSA Response），當 MS 收到 DSA-RSP 後會回 ACK 給 MR-BS。下行方向，
MR-BS 發起 DSA-REQ 請求連線，MS 收到 DSA-REQ 可直接回復 DSA-RSP 給 MR-BS，接著 MR-BS 回覆 ACK 給 MS。
圖 2-6 IEEE 802.16 QoS 架構 [13]
但 WiMAX 並未在排程上對 QoS 有詳細的規定，僅對於不同 QoS 等級規範 一些參數的要求，如表 2-1。在[13]篇中作者提出一個在 MR 網路中具 QoS 的排 程架構，可以保證不同 QoS 等級應用的連線需求。IEEE 802.16 的 QoS 架構如 圖 2-6，在允許連線進入後即進入不同等級的連線佇列中等待傳送。而在該篇中，
由於 IEEE 802.16j 多了一個 RS，在架構上作者做了些修改，提出 SQSA (Scalable QoS Scheduling Architecture)的架構，在該架構中定義了許多元件與模組，其中比
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Grant interval
Fixed size periodically
Dynamic size
Polling interval Periodic Regular
Traffic priority V V V V
BW request V V V V
Contention based polling
Not allowed
Not allowed
Allowed Allowed Allowed 表 2-1 QoS 各項需求參數[13]
在[13]中，將各 QoS 中的連線加以分配權重調整優先順序，在很多排程的研究中 都會加入權重的分配，無線網路的狀況是隨時在變動的，所以隨時考慮更急迫的 封包是十分重要的，
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圖 2-7 SQSA 系統架構圖[13]
2.4 Related Work
在本節中，我們介紹一些在排程方面的相關研究，包括頻寬請求、封包優先 順序、或是壅塞控管等許多跟排程有關的研究都可以有效改善網路效能，但也存
在本節中，我們介紹一些在排程方面的相關研究，包括頻寬請求、封包優先 順序、或是壅塞控管等許多跟排程有關的研究都可以有效改善網路效能，但也存