第二章 相關研究
2.2 Multi-hop Relay 上的 ARQ 機制
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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 slot，而且 slot 數也並非都可足夠分配給需要的 station 的，所以總 slot 數的限制是需要 被考慮在其中的。
3.1.2 需考慮不同類別的 QoS
雖然在[4]中，作者提出 AIAD （Addition Increase/Addition Decrease），讓 pre-allocated slot 可以動態調整。但因為僅考慮 BE 等級的資料封包，其 pre-allocated slot 的分配並無 限制，而實際上在 802.16[3]中，不同等級的 traffic 都有各自限制必須遵守，比如 rate、
maximum latency 等。因此，若是無限制的分配 pre-allocated slot 一定會造成頻寬的浪費，
因為即使有足夠的 pre-allocated slot，卻由於 maximum latency 的限制反而會是無效的封 包，這也必須考慮進去。
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3.1.3 重傳次數限制
一 HARQ 封包傳送最大可以容忍的重傳次數為 7（不包含第一次傳送），如果仍然 失敗則會放棄。但某些即時性 QoS 等級的封包卻不一定，因為其延遲時間的容忍度較低，
不要重傳這麼多次。在 802.16j 中，由於加入 RS 作為傳送資料的中繼站，其延遲時間是 很可觀的，而在容忍度較低的 QoS 等級封包，勢必會造成封包傳送失敗的機率大增。因 此如何安排 pre-allocated slot 給 RS 是個重要的議題。
3.1.4 在某些條件下 AIAD 並不適用
在[4]中，作者以 AIAD 動態預先保留 slot 的方式，並在第一次發生錯誤的時候便開 始運作。但我們發現到，這樣 AIAD 的預先保留機制在特殊的狀況下會有問題。我們以 一條 link 為範例， X 代表封包傳送失敗，以 O 代表封包傳送成功。在傳送封包時若發 生 XXO 的時候，表示第一次傳送發生錯誤開始運作動態預先保留 slot，可是第二次也 傳送失敗，但因為有預留的 Slot 便開始第三次傳送然後成功。在以上這樣的情況是沒有 問題的，但我們發現當發生 XOX 時，會有很大的問題。第一次傳送失敗然後開始運作 機制，第二次傳送成功因此沒有使用預留的 slot，認定 slot 為多餘的便刪除，可是第三 次傳送發生失敗也沒有預留的 slot，再分配 slot 下去。我們可以發現因為 MR-BS 給予的 pre-allocated slot 的變動是在下一次 scheduling 時才產生。若發生上述狀況，這樣的動態 預先保留 slot 的方式是完全沒有作用的，也和 802.16j 原來的 HARQ 機制是相同的。換 句話說，同樣也會因為重傳而增加封包的延遲時間。如圖 3-1，當傳送發生錯誤時，我 們增加一個 pre-allocated slot；當傳送成功時，若有多餘的 pre-allocated slot 就減一個，
當下一次傳送又發生錯誤時就不會有 pre-allocated slot 幫忙重新傳送封包，所以我們發 現在這樣非連續錯誤的情況下，pre-allocated slot 完全沒有用到，，這樣就和 802.16j 標 準上的 HARQ 機制相同，在封包發生錯誤需重傳時都需要二倍的總 hop 數時間傳送，
非常沒有效率。
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allocated sl 到的 slot，可 下去給需要的 有太多的 pre 配演算法中並duling 時，
-3 是把 pre pre-allocated
allocated slo 會降低封包資 e-allocated s 並無說明，
若有多餘的 -allocated s d slot 分配 ot 使用，能夠 資料的傳輸
續錯誤的情
llocated sl
況下，為了充 allocated slo 用 到 ， 此 時
-allocated sl
duling 前被
配傳送的封 配完各 link 上 根 據 優 先 順
的 schedulin slot。若就這 [4]的 pre-al 題。如圖 3 當作 pre-alloc
到 MS2 三條 ot 大部分都 傳送資料給三
新傳送的封 located slot
新傳送的封 located slot