第一章 簡介
1.1 背景
1.1.3 IEEE 802.16j 簡介
silence suppression 的 VoIP，包含 maximum sustained traffic Rate、
maximum latency、tolerated jitter、minimum reserved traffic rate 等參數。
3. rtPS：設計來支援會週期性送出變動長度封包的即時程式，像是 MPEG Video 和有 silence suppression 的 VoIP，其中最重要的 QoS 參數為 minimum reserved traffic rate 和 maximum latency，因為 rtPS 連線的封包 大小不固定，BS 會週期性地詢問 rtPS 連線，rtPS 連線則在此時送 request 給 BS，以要求所需的頻寬，包含 maximum sustained traffic rate、maximum latency、tolerated jitter、minimum reserved traffic rate 等參數。
4. nrtPS：設計來支援無 delay 需求但卻有 Minimum Data Rate 限制的連 線，像是 ftp 連線，檔案傳輸等連線，需要等 BS 詢問或以 contention 方式來取得頻寬，包含 maximum sustained traffic rate、minimum reserved rraffic rate 等參數。
5. BE：和 nrtPS 連線差在沒有 minimum data rate 的限制。為優先權最低 的連線，用在沒有 QoS 保證的程式，像是網頁瀏覽、e-mail 等，需以 contention 方式向 BS 取得頻寬，當網路壅塞時 BE 連線可能長時間都得 不到頻寬，包含 maximum sustained traffic rate 參數。
1.1.3 IEEE 802.16j 簡介簡介簡介 簡介
雖然目前 802.16e 已具有高頻寬、覆蓋範圍廣且支援移動性等優勢，但是仍 存在著一些問題，像是建築物的遮蔽效應(shadow fading)產生的死角(coverage
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著手制定新的 802.16 規格，計畫延伸原有的 802.16e 標準並加入 multihop relay 的技術，稱作 802.16j。要達到 coverage extension 與解決 coverage hole 問題，原有作法是以增加功 率放大器(repeater)或增加 BS 兩種做法。以增加 repeater 來說，雖然造價便宜且 佈建方便，能放大衰弱的訊號以提升訊號品質，但是同時也會放大雜訊。而增加 BS 的數量，不僅可以提升範圍內的傳輸品質，也可以大大增加系統的涵蓋範圍，
但是也需要額外建設 BS 後的骨幹網路，而骨幹網路的建設和 BS 本身都是非常 高的成本，使得這兩個方法都窒礙難行。
802.16e-2005 802.16j
Topology PMP only Tree structure (PMP compatible, not ad hoc nor mesh)
Hops Single hop Multihop
Traffic aggregation No Yes over multipath
System capacity Lower Higher within BS coverage
Coverage Lower Higher
Cost Higher Lower
Legacy 802.16e-2005
station
－
Backward CompatibleMobility support Yes YES
PHY support OFDMA OFDMA extension
表 1.2：IEEE 802.16e 與 IEEE 802.16j 比較圖
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宜且佈建快速，藉由 RS 的加入，希望能達到 coverage extension 與 capacity enhancement。RS 的主要功能是接收 BS、MS 或其它 RS 的訊號，處理過後再轉 傳出去，當 RS 佈建在 BS 的範圍內時，可以轉傳資料到受到 shadow fading 影響 和 BS 覆蓋範圍邊緣的區域，改善訊號品質且提升系統 capacity，這種方式稱做 transparent mode，主要目的是提升在 BS 範圍內的 capacity。而當 RS 佈建在 BS 覆蓋範圍邊緣或範圍外時，可以接收 BS 或 RS 傳送過來的訊號，再轉傳到原本 BS 無法覆蓋的區域，稱做 non-transparent mode，目的是讓系統傳輸的範圍更廣 更遠，能服務的用戶也更多，比起原本佈建 BS 以擴大範圍的成本低廉，複雜度 比起 transparent mode 較高。802.16j 的 RS 可以分成以下三種型態，以適應不同的環境：
1. Fixed Relay Station (FRS)：無法移動，只能固定放在某位置的 RS，目的 是讓位於 coverage edge 和 coverage hole 的使用者能得到更好的連線品 質，或是延伸網路範圍，經由 multihop 方式讓遠處的使用者也能進入系 統。
2. Nomadic Relay Station (NRS)：可以移動，但是會在固定位置停留一段時 間的 RS，是利用來暫時提供額外的 coverage 與 capacity，像是緊急事件、
發生災難或大型展覽活動時，可以額外放置 NRS 來提供暫時服務。
3. Mobile Relay Station (MRS)：移動式的 RS，可以放置在行動的交通工具 上，以統一服務交通工具上的使用者，避免使用者因為頻繁的 hand Over 而發生中斷，也可以簡化並降低上層 RS 或 BS 的負擔。
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1.2 研究動機與目 研究動機與目 研究動機與目 研究動機與目的 的 的 的
圖 1.1：Single Path 與 Multipath 問題
雖然 802.16j 藉由 RS 的加入使得 WiMAX 的功能更強，但也帶來了一些缺 點。BS、RS、MS 之間的架構已不同於以往的 802.16，舊有 802.16 的問題如 admission control、scheduling、bandwidth request 等，在 802.16j 可能會變得更複 雜，原有解決辦法也不見得適用在 802.16j 上。不僅如此，802.16j 也衍生出許多 新的問題，例如 multipath 的問題。因為網路拓樸的改變，MS 與 BS 間的路徑不 再是 single hop 而是 multihop，路徑也不再唯一，當我們要提升系統的 capacity
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就必須找出最適合的 Path，不適當的選擇會造成系統 congestion 與嚴重的 delay 或 throughput 低落。尤其當 NRS 與 MRS 加入系統後，NRS 與 MRS 的移動性所 造成網路環境的改變，更需要有良好的 path 更新機制才能維持系統效能，這都 是值得我們研究的方向。1.3 論文組織架構 論文組織架構 論文組織架構 論文組織架構
論文架構如下：第二章為相關研究，我們節選了四篇在 IEEE 802.16j 上關於 path selection 與 relay section 的相關論文。近兩年有關 path selection 的論文大多 是依據這幾篇論文而做修改，大致上不脫這四篇的概念。
在 path selection 的研究上，主要都是依據 path cost 的概念來做選擇，對 MS 或 RS 來說，會優先選擇 path cost 低的路徑，但因為每條 path 受各種不同因素的 影響，造成 path cost 低的路徑不一定就是最佳的路徑，像是 bottleneck link、
load-balance、end-to-end delay、QoS 與 MS 的修改與否等問題都會造成 path selection 設計上的困難，我們會在這四篇論文上針對這些問題做詳細的說明。
第三章會依據第二章所找出的問題先作分析，依據這些分析後再提出我們的 作法。IEEE 802.16j 所增加的 RS 可以有效提升 throughput 與 coverage，但是當 MS 與 BS 之間的 relay hop 數上升時，也同樣會造成 delay 的上升與 jitter 的變化。
我們的作法主要是架構在優先考慮 QoS 的前提下，提出不同於以往的 tree topology based 的作法。當系統內 RS 產生變化時，系統會執行本論文的演算法以 更新 topology，首先在 BS 與 RS 仍有剩餘頻寬的前提下，優先讓有高 QoS 的 RS 與最上層的 BS 或 RS 連接，減少高 QoS 連線與 BS 之間的 Hop 數，以減少 delay 並穩定 jitter。一層一層完成所有 BS 與 RS、RS 與 RS 間的所有連結，系統內的
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MS 與 RS 即可依照更新完成後的 topology 進行傳送。
第四章藉由我們所設計的 scenarios，並應用我們的方法在 NS-2 上進行模 擬，並分析效能變化與改進，第五章為本論文提出總結，並提供了未來可改善的 空間與研究方向。
‧ 2.1 Path Cost Metric
當我們要選擇路徑時，需要某項標準來判定好與較差的路徑。例如若要最大 化系統 throughput，就必須利用一些網路上參數來衡量，像是 radio resource、
latency、delay jitter 與 hop distance，藉由這些 metrics 可以讓我們更方便選擇適 合的路徑。在[8]中提出了先找出 Effective Radio Resource Index (ERRI)的值，再 以設計的 cost function 找出有效率的路徑。ERRI 的值代表在不同的 burst profile 下，連線需要多少個 64-Sub-Carriers 來傳送 30bytes 的資料，如下表：
Burst Profile Bytes per OFDMA slot ERRI value
QPSK,CC/BTC/CTC, 1/2,6 1 30
‧
*64-QAM BTC 1/3 is also included
**64QAM CC/CTC 1/2 is also included
表 2.1：ERRI Value Table
我們可以看到最好的調變 64-QAM 的 ERRI 值是最小的，但是一條 path 包含了 一條以上的 link，得到每條連線 link 上的 ERRI value 值後，接下來必須算出每條 path 的 cost， cost 越低代表該條 path 是越好的。
圖 2.1：Path Selection for MSi
以上圖為例，
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2.2 Relay Selection
當新的 MS 要進入系統時，需要找尋適當的 RS 進入系統，必須與鄰近的 RS 作 initial ranging。當 MS 在系統一段時間後，可能與目前連接的 RS 品質越來越 差，此時就必須找其他更適合的 RS 以連接，這步驟則稱作 intra-BS handover。
[10] 的 做 法就 是 在 Signaling 的 機 制 中 加 入了 path selection ， 以提 出 的 Expected Link throughput (ELT) metrics 為基礎，當 MS 要作 initial ranging 或 intra-BS handover 時，都會執行[10]的 path selection 演算法來找尋合適的 RS，下 圖說明了 path selection 演算法如何在 initial ranging 中運作。
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圖 2.2：Initial ranging
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當新的 MS 進入系統後，先在 initial ranging contention period 廣播送出 ranging code，BS 收到後回送 ranging response (RNG-RSP)給 MS，MR-BS 之後在 UL-MAP 分配時間給 MS 送 ranging request (RNG-REQ)，因為所有 RS 也會收到 UL-MAP，
RS 也會得知何時 MS 會送出 RNG-REQ，此時，[10]的作法會讓 RS 在 MS 送出 RNG-REQ 的同時也作 listening，RS 藉由聽到的 RNG-REQ message 來算出自身 與 MS 之間的 ELT-based metric，之後所有 RS 將此 ELT-based metric 值透過 Mobile Station Signal Report (MS-SIG-REP) Message 送回 MR-BS，MR-BS 收集所有 path 的 ELT metrics 並執行 path selection，最後回覆 ranging response (RNG-RSP)給最 適合連接的 RS，再讓此 RS 自行與 MS 建立連線。
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圖 2.3：Intra-BS Handover
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上圖以 intra-BS handover 為例，當 MS 與目前連接的 access RS (RS2)之間訊號品 質越來越差時，access RS 會送 MS-SIG-REP 給 MR-BS，MR-BS 接著向 MS 送出 report request (REP-REQ)要求 MS 回覆訊號品質，在 MS 回覆 report response (REP-RSP)的同時，所有 RS 也會 listening 此 REP-RSP Message，並一樣藉此算 出 ELT metrics 並回覆 MS-SIG-REP 給 MR-BS，讓 MR-BS 挑出較好的 RS 讓 MS 作 handover。
除了 signaling 的機制外，ELT (Texp) metrics 是 MR-BS 判斷路徑好壞的重要 依據，公式如下：
( ) ( ) ( )
exp avail _
T j =BW i ×Data rate j
( )
avail
BW i ：RS i 的 available bandwidth = total bandwidth–used bandwidth
( )
_
Data rate j ：the signal to noise ratio (SNR) on link j
因為 MR-BS 已知系統 topology 中所有 MS 可連接的 path，依據所有 RS 回覆的
[10]的優點是，成功將path selection機制加入ranging與handover中，在不變動 MS的設計下，讓MS與符合的RS連接。並以available bandwidth作計算，符合
load-balance。而缺點是沒有考慮hop數增加對連線造成的影響。
‧
2.3 Path Selection for MS
[9]提出了一個 Normalized Number of Minislots (NNM)的 metric 來作 path selection，此 metric 讓 MS 達到 high end-to-end throughput 與 low delay。
Q = {q1,Kqm}：set of RS cells
sl：number of required minislots on link el ˆl
s ：number of assigned minislots on link el
throughput： :
minislots 為傳送時間的最小單位，依據以上公式，我們可得到實際的 throughput。
Sm：path pn所屬的 RS qm目前剩餘的頻寬
:l m l l e∈q s
∑
：qm在所有 link 上所需的總 minislotsDownlink satisfaction index of the link el：
:
當所需的 minislot 比可得的 minislot 小時，公式(2)的值為 1，否則為
:l m
假設依據 scheduling 分配，屬於同一 cell 的所有 links 都有相同的 downlink
‧
satisfaction index，則可以進一步導出以下公式：
Downlink satisfaction index of the cellqm：
:
整理以上三個公式後，throughput 可以簡化成
ˆn m n
g = SI ⋅g
所以當我們所需的頻寬比可得的頻寬小時，系統是 underloaded 的，throughput 剛好是我們所需的頻寬，SIm則為 1，並且表示 packet 可以在一個 frame 內就傳 完，delay 也是最低。
Downlink Load Ratio ：
:l m l
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不會造成 congestion 的路徑進行連線。而缺點是計算較複雜、未將 hop 數列入 metric、未考量 RS 與 BS 或 RS 與 RS 之間的 path selection，計算的 end-to-end delay 也不是實際 MS-BS 間的 delay。
2.4 Path Selection for RS
[8]的作法是屬於 centralized routing 的方式，當 RS 越來越多時會使得系統難 以控制並增加 latency，在[6]中進一步延伸了 multipath 的問題，將 path selection 改為 distributed routing 的方式，由各 RS 分別計算處理。
首先將影響 latency 最重要的三個參數：可用頻寬 link available bandwidth、
頻道品質 SNR ratio、經過站台的數量 hop-count，這三項資訊存放在 UCD MAC
頻道品質 SNR ratio、經過站台的數量 hop-count，這三項資訊存放在 UCD MAC