第二章 相關研究
2.4 Path Selection for RS
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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 management message 的 TLV 欄位內，讓每個 BS 與 RS 在廣播 UCD message 時，
其他相鄰的 RS 能收到這些參數，並據此進行 distributed routing。以下圖來說，
當新的 RS 進入系統後，會先收到相鄰 RS1 的 UCD Message，接下來又收到 RS2 與 RS3 的，然後又再次重複收到 RS1 的 message，因為廣播間隔是固定的，這時 就代表新的 RS 已經收集完所有相鄰 RS 或 BS 的資訊，然後開始進行 path selection。
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UCD from BS1 (broadcast) UCD from BS2
UCD from BS3
Start to set the metric table
Time to send UCD from BS1
CDMA ranging code
RNG-RSP
Send user data
RS3 RS2 RS1 New RS
Complete to set the metric table and select access RS based on
“path cost” information.
If RS2 is the lowest cost, then...
Adjust time &
power parameters
圖 2.4：Relay Network Entry Procedure
首先，r 代表新的 RS，J1,J2,….Jk代表途中經過的 hop
r BSi
B− 則是 r 到基地台 BSi 間所有 relay link 頻寬的集合
藉由 SNR 值與 link 間的 modulation，我們可以得到 MCS level，值越高代表連線 品質越好，Mr BSi− 是 r 到基地台 BSi 間所有 relay link 的 MCS link level 的集合
因為一條 path 的 throughput 會被最小的 link throughput 所限制，所以將每條 link 的頻寬與連線品質相乘，並找出最小值，就代表了此 path 的期望 throughput：L
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因為 path 上所經過的中繼站 RS 數目越多，也會增加連線的 delay 與資源消耗，
所以算出的 throughput 必須再除以 hop 數量，才是真正的 path throughput
以此方法算出每條 path 的 P 值，有最大 P 值的 path 才是可以提供最大 throughput 的 path，也是最好的 path，而它的 cost 為Cr BSi− 。
[8]的優點是採用 distributed routing，可充分利用 RS，減少 BS 額外負擔及 delay。
並將 path selection 資訊加入 TLV message，不需 RS 額外資源。也考慮了 RS 與 BS 間的 path selection，不需更改 MS 設計。而缺點是計算出的 RS-BS 的最佳 path，
不等於 MS-BS 的最佳 path。
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3.1.1 Centralized Routing or Distributed Routing
IEEE 802.16j 加入了 Relay Station (RS)具有部分 BS 的功能，可以處理資料 並參與 bandwidth allocation、scheduling，所以也可以參與 path selection 的決定。
從相關研究中可以看到，[8][10]是屬於 centralized routing，因為 path selection metrics 的計算與最後 path 的決定都是在 BS 完成，BS 需要完全了解系統的 topology 與 path Links，藉由 RS 把 link 上的連線資料回傳給 BS，由 BS 找出最 佳路徑。[6][9]是屬於 distributed routing，path selection metrics 可由各 RS 計算完 成，RS 不需知道整個系統的連線狀況，只需與鄰近的 RS 或 BS 溝通，path selection 由各 RS 決定。
centralized routing 的優點是可以確保 path 是 global 最佳化的，而且設計上簡 單，只需要統一將資訊回傳給 BS，由 BS 作決定即可。但是需要額外的頻寬來 傳送資訊，delay 有可能會較高，並且當 RS 越來越多時，系統會變得難以控制，
BS 負荷也會升高。
distributed routing 較不需要額外資源與機制來作 path selection，可以將 path selection metrics 包在原本廣播的封包內，即可讓鄰近 RS 與 BS 接收並處理，但
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所以選擇 centralized routing 或是 distributed routing 是很重要的。
因為我們的作法以 QoS 為主要考量，目標是在降低高 QoS 連線的 delay 與 jitter，我們所採用的作法是透過降低 BS-MS 間的 hop 數，來達到降低 delay 並穩 定 jitter 的功效。如果採用 distributed routing 則無法掌握並了解 MS-BS 間的 hop 數變化，所以我們選擇以 centralized routing 來設計做法。
3.1.2 Modification of MS
path selection 的目的是要找出 BS-MS 之間的最佳路徑，但是我們希望盡量 不要變動 MS 上的設計。以[6]為例，它可以確保 RS-MS 之間的最佳路徑，但是 無法考慮到 MS 會與哪個 Access RS 連接，而有可能會影響效能。
[8][9][10]都是以 MS-BS 之間的最佳 path selection 為前提去作計算，所以可 以確保 MS-BS 之間的最佳效能，但是有可能需要讓 MS 配合演算法去選擇 RS，
這就需要變動到 MS 上的設計。會讓 802.16j 之前的 MS 或 SS 無法相容於 802.16j，而降低實用性。但是[10]利用的 signaling 的機制，只變動了 RS 與 BS 的設計，讓 MS 在 ranging 時就作 path selection，由 BS 決定路徑後回傳給最適合 的 RS，再由此 RS 回覆 ranging response 給 MS，如此就在不變動 MS 的前提下，
成功的讓 MS-RS 的路徑最佳化，所以對 802.16j 以外標準的相容性較高。
3.1.3 Load-Balance
當某條RS-BS間的link明顯優於其他link時，可能會造成許多MS或RS都經由 此路徑傳送，當連線增加時造成congestion，而此時其他較差的link仍然
under-loaded或是閒置，如果可以將處於congestion的連線改由透過這些link傳
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所以在設計path selection metrics需要考慮如何作load-balance，將RS上的可得 頻寬與capacity列入公式中，避免連線都擠在較好的link或path上，或是利用其他
如同設計metrics時，將available bandwidth與hop count分開，在足夠bandwidth 的前提下，hop count對高QoS連線的delay影響很大。假設有兩條path
path A：available bandwidth=30，hop count=3，path cost=3/30=0.1 path B：available bandwidth=10，hop count=2，path cost=2/10=0.2
而RS上的連線為rtPS連線，頻寬需求為8，以傳統的計算方法，path A所得到的path cost低於path B，因此rtPS連線會選擇path A路徑，但是實際上兩條path的頻寬都 滿足此rtPS連線，而path B比path A少了一個hop，delay差了一個frame，所以對於 此rtPS連線，path A與path B的實際throughput是一樣的，但是delay則是path B較 低。所以依照不同的QoS連線設計適當的path selection method是十分重要的。
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3.1.5 RS with Mobility
除了[6]之外，大部分的Multipath問題都是考慮MS-BS間的path selection，但 是因為802.16j除了固定式的FRS外，也加入了具有移動性的NRS與MRS，也讓path selection問題更複雜化，但也變得更值得研究，所以如果將NRS與MRS的移動性 加入MS-BS間的path Routing，會變得更具實用性。
3.2 研究方法概述 研究方法概述 研究方法概述 研究方法概述
在本研究中，我們將不對 MS 進行更改，以提高方法的可行性及相容性。依 照 RS 上各連線的需求，在符合 QoS 限制及滿足連線頻寬需求的前提下，將系統 capacity 及 throughput 最大化，並做到 load-balance，先建立系統的 routing tree topology，再讓各 RS 及 MS 能依照此 tree topology 進行 routing。
3.2.1 Routing Tree Topology
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圖 3.1：系統連線尚未建立時
不同於原本的 mesh 模式，在 IEEE 802.16j 標準裡規定了，所有的接收與傳 送都必須透過 BS，每個 MS 或 RS 只能有一個 parent RS 或 BS， MS 或 RS 的 傳送與接收也都必須透過此 parent。假設目前系統如上圖所示，MMR-BS 與 RS 之間尚未建立連線，則我們必須找出每個 RS 與 BS 之間連接的方式，建立類似 下圖的 tree topology，讓每個 RS 及 MS 能依照系統的 topology 進行傳送與接收。
圖 3.2：系統連線建立完成
3.2.2 QoS Consideration
圖 3.3 與圖 3.4 都是系統所建立的 tree topology。但以圖 3.3 來說，RS 4 下有 3 個 RS，有可能會造成 congestion，而且 RS 10 離 BS 有 3 個 hops 的距離。如果 RS10 上有即時語音的連線，有可能造成通話不穩或品質低落。以圖 3.4 來說，
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效能一定比圖 3.3 好，因為我們不確定每個 RS 上面的連線為何。如果 delay 需 求高的連線集中在 RS 7 與 RS 9，那樣圖 3.3 反而會得到更小的 delay，所以我們 在建立每個 RS 與其他 RS 或 BS 之間的連線時，最好能考慮到每個 RS 的需求，
再建立符合的 tree topology，才能發揮更大的效能。
圖 3.3：Congestion may happens in RS4
圖 3.4：Delay is higher in RS7, RS9
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以往的方法在建立連線時，通常只考慮連線間的頻寬與 modulation，hop 數 的重要性常常會被忽略。如果與 BS 之間的 hop 數越多，delay 則越長且容易不 穩定，如果經過的 hop 數越少，除了 delay 降低之外，也不容易因為中繼的 RS 連線品質變動而影響 delay。為了使系統建立更符合連線的 tree topology，每個 RS 依照其上的連線來定義所需的 delay constraint，全部 RS 將資訊送至 BS 後，
由 BS 作 centralized routing，依照每個 RS 的 delay 與頻寬需求，讓 delay 需求高 的 RS 與 BS 之間的距離縮短，甚至當系統頻寬越來越少時，我們可以加深 tree topology 以增加系統 capacity 與 throughput，把 delay 需求低或動態將無 delay 需 求的 RS 擺至更下層，而不致影響到高 QoS 連線的 delay。
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3.2.2 Tree Re-Construction
圖 3.5：加入新增的 RS1 至系統
以上圖為例，RS1 是一新增的 RS，計畫加入目前的系統。因為 RS1 上面還 沒有任何 MS 與其連線，所以我們無法得到 QoS 資訊，RS 1 會對附近鄰居廣播 要 求 進 入 系 統 ， 接 收 到 訊 息 的 RS 或 BS 會 回 傳 自 身 目 前 所 剩 餘 的 頻 寬 Available_Bandwidth(parent _Node)參數給 RS 1，RS 1 依據以下公式找出與其有 最低 cost 的 RS 或 BS 為 parent ，此時只需要作 distributed routing，不需要重建 整個 tree topology，只需要 RS 1 的 parent 向 BS 回報新建立的連線。
1 _ ( _ ) ( _1, _ )
Cost= Available Bandwidth Parent Node ×Modulation RS Parent Node
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圖 3.6：RS 移動，需尋找新 parent RS
如上圖所示，當系統中 MRS 從點 A 移動到點 B 時，會與原本的 RS 斷線，
而必須找新的 RS 進行連線，此時系統會重新建立 tree topology。
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圖 3.7：RS1 與 BS 連線中斷
如上圖所示，當 RS 1 與 BS 間的連線發生問題時，RS 1 需要找新的路徑來 連線至 BS，此時系統也要重新建立我們的 tree topology。
如以上兩種狀況，因為這些 RS 很可能會帶著原本連接的 MS 一起移動，所 以 RS 一樣可以算出自身所需的頻寬與 delay 需求，然後送至 BS，由 BS 依照系 統的 QoS 需求，重新建立 tree topology。
3.3 系統架構與參數定義 系統架構與參數定義 系統架構與參數定義 系統架構與參數定義
當系統中的 RS 有變動時，必須更新系統的 tree topology 來保持連線暢通。
我們把這部份分成有無 QoS 兩種情況，如果是新增的 RS，則只須找出它的 parent RS，如果產生變化的 RS 是原本已存在的 RS，而其上原本就有許多 MS 連線，
所有具有 QoS 參數需求，我們主要的做法就是依照這 QoS 需求，建立符合系統
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3.3.2 Updating Tree Topology without QoS Support
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則我們不需要考慮 QoS，只需要作 distributed routing，只考慮新的 RS 與其 neighbor 的連線狀況，找它的 parent RS 即可決定連線 topology，而不需通知 BS。
圖 3.8：Update tree topology without QoS support
以下為系統此時的演算法：
Modulation New RS Parent Node 給New_RS
Modulation New RS Parent Node 給New_RS