UDP 效能測量

在 UDP 的效能量測方面，我們將採 greedy UDP 猛灌的封包的方式由基地台往用戶 端方向傳送來達到其下行最大傳輸率，並依照有無透過中繼台轉送資料以及是否使用超 級訊框結構分為三個部分進行模擬與驗證：(1) 1-hop 情形，即基地台不透過中繼台直接 與用戶端進行傳輸，(2) 2-hop 情形，兩段式轉送，基地台透過一個中繼台進行資料轉送，

(3) multi-hop 情形，多段轉送，使用 2-frame 的超級訊框結構與用戶端進行傳輸。底下為 各自的量測結果分析。

 基地台直接與用戶端連結時的下行傳輸效能

Host MR-BS MS

圖 4-1 基地台下行存取地帶 UDP 效能量測之網路拓樸

圖 4-1 為基地台與用戶端進行下行存取地帶效能量測的網路拓樸，由 Host、MR-BS 與 MS 所組成，其模擬情境如下，基地台 MR-BS 連接後端網路至 Host，為達到最大效 能，將此段有線網路頻寬設為 100 MB/sec，Host 往用戶端傳送的資料會經由基地台排程 後直接傳至用戶端，而傳送的封包大小為 1400 byte 並使用 greedy UDP 猛灌流量，此外，

我們也將針對不同的調變方式與編碼技術來量測其效能的正確性。

量測的結果如表 4-2 所示，此為各種調變方式與編碼技術下，下行最多可傳輸資料 的效能理論值與實際進行 UDP 量測所得到的結果。

85

QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 1/2

64QAM 3/4 64QAM 2/3

6

4.8288 4.6967 6.9979

86

圖 4-2 顯示了下行存取地帶的最大配置情形，即在只有基地台和用戶端的網路拓樸 下，可以用來傳送給用戶端的訊框配置情形。一個訊框總共可用的 symbol 個數為 48 個，

上行存取地帶和上行轉送地帶至少會分配一個 slot 給用戶端和中繼台當作競爭區間使用，

因此下行子訊框最多可用 symbol 個數為 48 – 6 = 42 個。而在下行子訊框中，又分為下 行存取地帶和下行轉送地帶，其中下行轉送地帶的 R-MAP 佔一個 DL_PUSC 即兩個 symbol 而 DL-MAP 在我們的實作中佔 10 個 slots，經換算，也是兩個 symbol。最後，

下行存取地帶剩下 42 – 4 = 38 個可用 symbol 個數，再扣掉 premable 佔一個 symbol，

DL-MAP 佔一個 DL_PUSC 即兩個 symbol，剩下可以用來配置用戶端資料的 symbol 個 數為 38 - 3 = 35 個，換算成 slot 就是 510 個。而在目前的設計中，訊框中的 UL-MAP 管 理訊息會在免競爭區段中使用調變編碼方式最健全的 QPSK 1/2 進行編碼，經過排程器 計算，UL-MAP 共會佔用 7 個 slots，但在目前設計下，slot 配置是以 10 個子通道為單 位進行配置，因此 UL-MAP 實際上會佔用掉 10 個 slots 的下行存取地帶資源，所以若使 用不為 QPSL 1/2 的調變編碼方式進行資料傳送，最後會只剩下 500 個 slots 用來進行上 層的資料的傳送，相反的，若使用調變方式與編碼技術為 QPSK 1/2，則下行資料與 UL-MAP 必頇共用整個下行可以進行配置的 slots，其中 UL-MAP 管理訊息佔用了 7 個 slots，所以會剩下 503 個 slots 傳輸下行存取地帶資料。

由表 4-2 可知 Up和 Uf 並沒有達到 100%，這是因為從應用層送出的資料經過各層 網路協定都會再加上標頭，例如我們在應用層產生的 UDP 封包會經過網路層(IP)、傳輸 層(UDP)、媒體存取控制層(MAC)等，這些都會造成額外的負擔。在 NCTUns 網路模擬 器裡 ipheader 佔 20 bytes，udpheader 佔 8 bytes，而 IEEE 802.16 定義的 MAC header 都 為 6 byte，此外可能還有額外的 MAC subheader 佔 1 byte，而 payload 則是我們在應用層 設定的 UDP 封包大小 1400 bytes，此外基地台和用戶端之間會傳送一些管理訊息，例如 定期測距訊息和換手訊息，這些訊息也會造成負擔。最後，圖 4-3 總結了此模擬實驗的 數據結果。

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圖 4-3 不同 FEC 下的 UDP 效能

 基地台透過中繼台與用戶端連接時的下行傳輸效能

Host MR-BS NT-RS MS

圖 4-4 基地台下行轉送地帶 UDP 效能測量之網路拓樸

圖 4-4 為基地台進行下行轉送地帶效能量測的網路拓樸，由 Host、MR-BS、NT-RS 與 MS 所組成，其模擬情境如下，基地台 MR-BS 連接後端網路至 Host，為達到最大效 能，將此段有線網路頻寬設為 100 MB/sec，Host 往用戶端傳送的資料會先經由基地台排 程後傳送至中繼台 NT-RS，隨後中繼台將會在下一個訊框時將基地台傳送過來的資料轉 送給用戶端。傳送的封包大小一樣為 1400 byte 並使用 greedy UDP 猛灌流量，此外，我 們也將針對不同的調變方式與編碼技術來量測其效能的正確性。表 4-3 顯示了在此拓樸 下進行 UDP 測詴流量的結果。

0 5 10 15 20 25

1 2 3 4 5

Throughput (Mbps)

time(sec)

Downlink throughput at different FEC (1-hop)

[0] QPSK 1/2

[1] QPSK 3/4

[2] 16QAM 1/2

[3] 16QAM 3/4

[4] 64QAM 1/2

[5] 64QAM 2/3

[6] 64QAM 3/4

88

QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 1/2

64QAM 3/4 64QAM 2/3

6

2.1408 2.0785 3.0468 行子訊框扣除 preamble、DL-MAP 剩下的一半可以規畫給下行轉送地帶使用，因此下行 轉送地帶可用的 symbol 數為(42 – 3) / 2 = 19 個，扣掉 R-MAP 佔一個 DL_PUSC 即兩個

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symbol，實際可用為 17 個 symbol，經換算，下行轉送地帶中可用來放置要傳送給用戶 端的空間共有 230 個 slots，而 UL-MAP 如同先前說明應該佔 7 slots，但為求實作方便，

實際上分配 10 slots，因此若是使用 QPSK 調變，將可多 3 slots 用來傳輸資料。而其它 的調變方式就只有 230 個 slots 可用。

由表 4-3 可知 Up沒有達到 100%，這是因為在基地台和中繼台之間會傳輸一些提供 中繼台排程的資訊，這些資訊大小依照基地台到中繼台所使用的調變之不同也會造成不 同程度的負擔，因此下行轉送地帶的傳輸率無法完全達到理想的效果。此外 Uf 依照我 們的定義(佔用整個下行地帶的 1/2) 也沒有達到 50%，這則是因為下行轉送地帶的 R-FCH、R-MAP 和 UL-MAP 並不能用來夾帶傳輸的資料，因此這些訊息所佔用的 slot 就造成了浪費。

 超級訊框排程下的 UDP 效能量測

首先我們先驗證超級訊框排程法的正確性，因此延續上個部分的模擬情境，並在兩 段式轉送的網路拓樸下，利用 2-frame 的超級訊框排程進行 UDP 的效能量測。表 4-4 為 測量的結果。在 theroretical throughput 的部分，由於 2-frame 的排程是使用兩個訊框為 單位，因此 frame duration 由 5ms 變為 10ms，也就是說，理論的量測值應為原本的一半，

而在實際的 UDP 測量結果方面也的確是非常接近，即 Up仍維持在 97%左右，如同前面 說明這是由於 IP header 和 udp header 以及 mac header 所造成的負擔，另外 Uf 的部分，

原本預期應該是 25% 但因為下行轉送地帶一些 MAP 所造成的負擔使得實際測得的傳 輸利用率只有 21% 左右。因此，我們可以藉此驗證實作超級訊框排程法的正確性，進 而研究更複雜的多段式網路拓樸，

90

QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 1/2

64QAM 3/4 64QAM 2/3

6

1.0704 1.0358 1.5220 2-frame 的超級訊框架構時，整體的傳輸率會再降一半，原因是因為 2-frame 的超級訊框

0

Throughput (Mbit/sec)

FEC

Downlink throughput at different FEC

2hop (super frame) 2hop

1hop

91

其 frame duration 是原本的兩倍，而且只有其中一個子 frame 是用來傳輸。

以下我們將更進一步的探討 hop 數增加時對下行傳輸量的影響，由表 4-5 可知，當 hop 數增加時，其下行的 utilization 會降低，這是由於浪費在基地台與中繼台之間溝通 的訊息，例如 RS_Access-MAP、RS_Relay-MAP 這種專門為中繼台傳輸的訊息，目的幫 助其了解下行存取地帶和下行轉送地帶該如何配置，因此轉送的節點越多即 hop 數越多，

QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 1/2

64QAM 3/4 64QAM 2/3

4.8288

1.0704 1.0358

1.5220

此外，若我們從 frame utilization 的角度來看，根據實驗結果，如表 4-6 所示，當 hop 數大於 5 時，即基地台與用戶端之間需透過超過五個中繼台轉送時，其下行訊框的使用

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QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 1/2

64QAM 3/4 64QAM 2/3

4.8288

1.0704 96.76%

96.08%

QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 1/2

64QAM 3/4 64QAM 2/3

4.8288

1.0704 21.45%

21.14%