第一章 簡介
1.3 論文組織與架構
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提出完善可行的具服務品質感知的 pre-allocated slot 機制，盡可能在有限制的條件下，
讓傳輸品質最佳化。
IEEE 802.16j 雖被制定出來解決中繼傳輸所帶來的問題，但卻相繼帶來許多挑戰是 尚待解決的[9]。多加入了中繼站（Relay Station, RS），使得許多在 IEEE 802.16e-2005 中的標準技術不適於 IEEE 802.16j。其中，在 IEEE 802.16 標準裡的 MAC 層是需要保證 QoS（Quality of Serviec），在 802.16j 一樣不例外。在多個跳躍點下，如何利用 Hybrid Automatic Repeat reQuest（HARQ）降低延遲時間以保證 QoS 正是我們所要研究的議題。
1.3 論文組織與架構
本論文章節架構如下：第一章介紹 IEEE 802.16j 的背景知識及其架構，並說明本研 究的主要動機與目的。第二章為相關研究。我們研究在標準規格書上各類別的服務品質 參數及在 802.16j 上可進行的快速重傳機制（pre-allocated slot），並提 DP-HARQ[4]方法 的不足之處，如未限制 slot 數（slot limit）、在高錯誤率的環境下無法有效發揮（AIAD）、
演算法上無釋放佔有 slot 的空間及並未針對各類別的服務品質（QoS）設計合適的 HARQ 機制。第三章介紹本研究所提出的方法。我們將針對不同 QoS 設定不同的 Maximum Slot 個數並增加重傳次數限制（retransmission times limit）。另外增加使用 pre-allocated slot 的限制（using pre-allocated slot limit）。針對在高錯誤率下使用 pre-allocated slot 機制的 不足，改正此缺失卻也保持原 pre-allocated slot 機制的優點，增加傳輸效率。再根據所 提出的研究方法建立整個系統架構，並利用數學分析式進行系統分析。第四章敘述論文 的模擬環境，以及一些假設與參數設定，藉由模擬器進行模擬實作與效能分析。第五章 為本研究成果提出總結，並說明未來後續可研究發展的方向。
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第二章 相關研究
2.1 錯誤控制（Error Control）
無線資料的傳播，可能會因傳輸通道的快速變化或多重路徑以及訊號衰弱的情況下，造 成封包在傳輸過程中發生遺或錯誤的現象。因此我們需要錯誤控制（Error Control）機 制使傳輸封包能因為重傳或錯誤更正而正確無誤的傳達到目的。基本上，有關錯誤控制 的方法大致可分為順向錯誤更正 FEC（Forward Error Correction）及自動重送要求 ARQ
（Automatically Repeat reQuest）。FEC 應用 Error Correction Codes 先將資料編碼後再傳 輸出去，即使在接收端有錯誤發生時，可利用編碼機制，在容許的錯誤範圍內，將資料 更正回來，是屬於單項系統。而 ARQ 是應用 Error Correction Codes 將資料編碼後再傳 輸，若在接收端發生錯誤，利用 Feedback Channel 回傳正回應（ACK）或負回應（NACK）
給發射端，以表示該封包已經正確接受或錯誤接收，然後再由發射端研判是否需要重傳 封包，是屬於雙向系統。
比較上，FEC 需要較複雜的解碼器，但可維持即時串流的需求。而 ARQ 的解碼器 較簡單，但需要 Feedback Channel 以及多次的重傳才能成功，因此會有較大的延遲時間，
較不適合即時資料的傳輸。當通道的錯誤率提高時，FEC 必須要有更多的冗餘位元
（Redundancy），而 ARQ 則需要較多次的重傳，兩者都會造成系統的傳輸率降低。因此 一種結合 FEC 與 ARQ 方法的 HARQ（Hybrid Automatically Repeat reQuest）混合自動重 送要求機制便被提出。
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HARQ 混和自動重送要求機制在 802.16e 就被提出，如同上段所敘在通道的錯誤率 提高時，FEC 需要有更多的冗餘位元，而 ARQ 則需要較多次的重傳。因此我們採用 HARQ 機制，其包含 FEC 可維持即時串流的需求。在即時性封包傳送時，若通道的錯誤率上 升，HARQ 可利用自動重傳要求（ARQ）來解決 FEC 在解碼器上需要更多冗於位元的 問題，也可增加封包傳送的穩定性。其 HARQ 具有 FEC 的優點，因此在分析上 HARQ 的效能至少會比 FEC 的效能來的好，這也是我們選用 HARQ 的主要原因。
2.2 Multi-hop Relay 上的 ARQ 機制
在 IEEE 802.16j 制定出完整的標準時，已有許多研究探討 Multi-hop Relay 在 WiMAX[5][6]上的可行性，並使用 ARQ 錯誤控制機制讓多重跳躍的中繼傳輸較為穩定。
有關 ARQ 機制在 Multi-hop Relay 的研究上，大致分為以下三種 1. End-to-end
中繼傳輸站只需轉傳封包及回傳 feedback 訊息，並不需要額外作其他事情。此種傳 送方式是最為簡單，並且可以處理換手（handover）的問題，因為傳送端可以知道所有 傳輸封包的狀態。此方式雖然簡單卻相對有許多缺點，假使在中繼點成功接收傳送端的 封包，卻在目的接收端發生錯誤，其所需要重傳的延遲時間非常長，且沒有效率。如圖 2-1，當 PDU#2 在 RS 和 MS 之間發生傳送失敗時，需要回傳 NACK 訊息給 RS 然後轉 傳給 BS 後，再重新傳送 PDU#2 封包。
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End ARQ。
要回傳自身的
的 feedback 的跳躍點（h
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上 ACK/NAC 生錯誤的地方end-to-end A
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-hop ARQ。
d-to-end AR 低。其最主 包資料後，需
是在 RS 還 2，BS 就無 op-by-hop A
。
by-hop ARQ 是除了讓 R
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留 slot（Pr
02.16 中，其ted slot）
料的模式主要 02.16j 中，
作模式為集
。HARQ 封 傳送的封包 送。802.16j 的
制。 的 ACK/NAC 傳送的時間
d-to-end 的傳
式（PMP），
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如上一 ARQ 傳送機制所述，這樣的傳送方式雖然簡單卻相對有許多缺點，假使在 中繼點成功接收傳送端的封包，卻在目的接收端發生錯誤，其所需要重傳的延遲時間是 非常長的，而且是沒有效率的。
Chen[4]中提到，若要使 802.16j 減少封包傳送的延遲時間，最主要的傳輸模式是類 似於 relay ARQ 的傳輸方式，使封包的重傳在 RS 上就可以運作。但 802.16j 中的 HARQ 需要在 BS 中，先行決定 DL_MAP 中所有的 slot 或 nurst data 要讓誰傳送，RS 不可自己 重傳封包給下層的 station。要使 802.16j 達到此目的，主要的方法就是讓 MR-BS 在安排 傳送資料時，預先保留一部分的 slot 給 RS，如此，若封包傳送失敗，RS 馬上就可以利 用預先保留的 slot（pre-allocated slotslot）來重傳封包。這樣就可以減少封包的延遲時間，
大量提升傳送資料的效率。
2.4 AIAD（Addition Increase/Addition Decrease）
AIAD[4]的提出是為了使頻寬的使用率不因為 pre-allocated slotslot 而造成頻寬浪費，
因此需要動態調整 slot 數。運作原理是，當 HARQ 封包傳送發生失敗後，在 BS 獲知是 哪條 link 發生錯誤，就將那條 link 的 pre-allocated slot 加一。當 RS 上在傳送 HARQ 封 包時，若發生錯誤並且有多餘的 pre-allocated slot 時，就會在下一個 Frame 重新傳送。
但若是成功的狀態，這多餘的 pre-allocated slot 就顯得多餘。所以當 HARQ 封包傳送成 功時，而此時該 RS 又有多餘的 pre-allocated slot，便將 pre-allocated slot 扣一。如此，
便可利用動態調整的方式讓頻寬的使用率加大並且不浪費頻寬。
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2.5 QoS（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。在 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 SS 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 SS 或是 BS 發起，有效管理 QoS 的運作。上行方向，SS 發起 DSA-REQ 請求連線。
SS 發出 DSA-REQ（Dynamic Service Addition Request）訊息給 MR-BS，MR-BS 收到請 求必須先回覆 DSX-RVD （DSX Received）告知 SS 等待 MR-BS 回覆 DSA-RSP （DSA Response），當 SS 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，SS 收到 DSA-REQ 可直接回復 DSA-RSP 給 MR-BS，接著 MR-BS 回覆 ACK 給 SS。
WiMAX 在 802.16j 中定出 5 種不同等級之 QoS，依優先權高低分別是 UGS (Unsolicited Grant Service)、ertPS (Extended Real-Time Variable Rate Service)、rtPS (Real Time-Variable Rate Service)、nrtPS (Non-Real Time Variable Rate Service)、BE (Best Efforts
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Service)。
1. UGS（Unsolicited Grant Service），主要是支援各種固定位元率（CBR）需求的 連線，如 T1/E1 and Voice over IP without silence suppression，由 MR-BS 決定 IE
（Information element，包含傳送的機會），且在每個 frame 上分配固定的 Time slot 數目。內部參數包含：Maximum Sustained Traffic Rate、Maximum Latency、
Tolerated Jitter、Request/Transmission Policy、Minimum Reserved Traffic Rate parameter。
2. ertPS（Enhanced Real-Time Polling Service），在 802.16-2005 規格書中新增此 QoS 種類，整合了 UGS 和 rtPS 的效能，此類 QoS 被設計用來支援會固定週期 產生不同封包大小的即時資料類別，例如：Voice over IP with silence suppression。
內 部 參 數 包 含 ： Maximum Sustained Traffic Rate 、 Maximum Latency 、 Request/Transmission Policy、Minimum Reserved Traffic Rate parameter。
3. rtPS（Real-Time Polling Service），主要用來支援定期傳送變動容量資料的變動 位元率（VBR）服務，適用於串流式服務，如視訊傳輸，會明確指出頻寬需求 及最大延遲。內部參數：Maximum Sustained Traffic Rate、Maximum Latency、
Request/Transmission Policy、Minimum Reserved Traffic Rate parameter。
4. nrtPS（Non Real-Time Polling Service）：支援各種需要變動資料率的非即時性 服務，應用於對時間敏感度不高且具有最小頻寬需求的服務，如 FTP、檔案下 載、訊息傳輸等，可使用在免於競爭或競爭模式。內部參數包含：Maximum Sustained Traffic Rate、Request/Transmission Policy、Minimum Reserved Traffic Rate parameter、Traffic Priority。
5. BE（Best Effort），主要用來支援沒有最小服務等級需求的連線，如網頁瀏覽，
沒有 QoS 保証，頻寬配置優先權最低，僅用於競爭模式。內部參數包含：
Maximum Sustained Traffic Rate、Request/Transmission Policy、Traffic Priority。
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UGS 寬要
表 2-1 為 S 和 rtPS 有 要求。
WiMAX 標 有最大延遲時
表
2-標準中所制定 時間的參數
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-1：WiMAX
定的五種不 數值，且除了
X QoS[2]。
不同 QoS 類 了 BE 外，
類別的相關 其他 QoS
關參數。值得 類別皆有最
得注意的是 最小保留頻 是 頻
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第三章 研究方法
3.1 問題分析
3.1.1 需考慮因沒有足夠 slot 的 pre-allocated slot 配置
如前章所述，對於 802.16j 的 HARQ 機制而言，預先保留分配的 slot 是較好的方式，但 是該保留多少的 slot 給 RS？若給予太多的 slot 勢必造成頻寬的浪費，若給太少反而會 增加封包傳送的延遲時間。在[4]中提並未提到在 slot 不足時，該如何給予 pre-allocated
如前章所述，對於 802.16j 的 HARQ 機制而言，預先保留分配的 slot 是較好的方式，但 是該保留多少的 slot 給 RS？若給予太多的 slot 勢必造成頻寬的浪費，若給太少反而會 增加封包傳送的延遲時間。在[4]中提並未提到在 slot 不足時，該如何給予 pre-allocated