第二章 相關研究
2.5 QoS（Quality of Service）
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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 需 要 的 link 一定是沒有 餘的 slot 分 會造成 link located slot -2，在 BS cated slot。
條 link 上。
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圖 3-22：Empty S
圖 3-3：將
Slot 因為沒
將 pre-allocat
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沒有用到，所
ted slot 平均
所以轉成 pr
均分給三條
re-allocated
條不同的 link
d slot 分配。
k 上。
。
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各種 更符
綜合以上的 種限制，也要 符合 802.16j
圖 3-4：僅 的問題分析 要思考如何 的運作模式
僅 4 個 alloc 析，我們需要 何安排 pre-a
式，可以大
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cated slot 卻 要設計一方法 allocated slo 大量提升整體
卻需傳送資料 法，不但需 ot 才能減少 體系統的效
料給 3 個 M 需要考慮不同 少延遲時間
效率。
MS 。 同 QoS 等級
，讓 HARQ
級的需求和 Q 機制可以 和 以
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3.2 研究方法
3.2.1 分配 pre-allocated slot 限制（total slot limit）
原本在 HARQ 封包傳送時，若有足夠的 pre-allocated slot 是可以無限制增加的。但 實際上，總 slot 數是有限制的，所以我們在發生封包傳送錯誤而需要增加 pre-allocated slot 時，必須要限制在總 slot 數之下才是合理的。而在有限的 slot 之下，必須要有效地安排 pre-allocated slot 才是最重要的問題。
因此每當 MR-BS 在安排增加各個 link 的時候，我們需要先判斷增加 pre-allocated slot 時，是否有在總 slot 數之下，若超過就不給 pre-allocated slot。
3.2.2 分配 pre-allocated slot 優先權控制（prioritze pre-allocated slot）
在 pre-allocated slot 的分配有可能會超過總 slot 的情況之下或者在 slot 不足的狀況 下，該如何分配 slot 給哪條 link 是一大問題。在我們的研究中發現，在 802.16j HARQ 無論在何處重傳資料封包在，都需要二倍的總 hop 數傳送時間，所以並無差異，如圖 3-5，
packet2 在 RS1 就發生錯誤，需要重傳，等到 MS 回傳 feedback 訊息給 MR-BS 後，packet2 再進行重傳。這樣的回傳以及重傳就需要六個 frame 的時間，等於二倍圖中三個 hop 數 的時間。
‧
ritize Link A
：a list reco
the P[link]
le (total If total P[link Else if ther P[link
ording the cu
in an incre -allocated s -allocated s k] = P[link]
re is enough k] = P[link]
論在何處重
討優先權的問 所傳遞的資
-BS 的 link
urrent numb
asing order slot exceeds slot exceed b ] – 1.
h bandwidth ] + 1.
ber of pre-a
r based on t s bandwidth bandwidth t
h then
需要二倍總
發現到雖然重 的 link 多，pr
的優先權。
allocated slo
the distance h or there is
enough ban
時間。
遲時間都相同 d slot 也需要 先權設定的
link
ndwidth) do
同，但是越 要比較多，
的演算法。
o
越
‧
使用 pre-allo allocated slo re-allocated 回原來的值。成的問題。
圖 3-6：
如圖 3-6 在 allocate slo 以直接重新傳
4 最大重傳 各個 Q
制（Count 整 pre-alloc
目的是要解 功而把多餘 d slot 的浪費 樣給予一個 p
ocated slot ot，而是扣 餘的 pre-allo
費及如同 80
Maximum 的封包，由於
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時，我們在每 節的問題，
ocated slot 02.16j HAR ed slot，而若 刪除一個 pr
allocated slo
re-allocated 次傳輸失敗 me 的時間就
mission Tim 間的限制不同
個 pre-alloc
，也可防止 cated slot，並 止在非連續錯
延遲時間下降
重傳成功後 一個 pre-all 功傳送封包 located slot
。
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過 maximum 規定的時間
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我們根據各個不同等級的 QoS 和其所規範的最大容忍時間限制，定義出我們的最大 重傳次數限制。
class
QoS
={UGS、rtPS、ertPS}MLQoS：the Maximum Latency for each class of QoS n：the number of hops between MR-BS and SS
Tf ：the frame duration
RLQoS：the Retry count Limit for each class of QoS
f 2 QoS f QoS
n T⋅ + ⋅RL ⋅ ⋅n T ≤ ML
2
QoS f
QoS
f
DT n T
RL n T
≤ − ⋅
⋅ ⋅
封包傳送成功的時間需要n T⋅ f，傳送失敗需要重傳的時間是2⋅RLQoS⋅ ⋅n Tf，所以傳 送成功加上傳送失敗需要重傳的時間必須小於最大容忍時間限制。我們就可以算出最大 重傳次數限制。
3.2.5 最大 pre-allocated slot 分配個數（Maximum Slot）
在進行封包資料傳送時，對無即時性的封包給予 pre-allocated slot 的意義並不大，
因為這些無即時性的封包著重點在於是否成功送達目的，對於 delay time 要求並不高。
因為這些無即時性的封包著重點在於是否成功送達目的，對於 delay time 要求並不高。