在IEEE 802.16j行動多重跳躍中繼網路上具服務品質感知的混和自動重傳機制 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 在 IEEE 802.16j 行動多重跳躍中繼網路上具服務品 y. Nat. er. io. sit. 質感知的混和自動重傳機制 n. a l Mechanism in IEEE QoS Aware HARQ 802.16j MMR v i n Ch U i eNetwork h ngc. 研究生：周世剛指導教授：張宏慶. 中華民國九十九年十一月 November 2010.

(2) 在 IEEE 802.16j 行動多重跳躍中繼網路上具服務品質感知的混和自動重傳機制 QoS Aware HARQ Mechanism in IEEE 802.16j MMR Network. 研究生：周世剛指導教授：張宏慶. 立. Student：Shi-Kung Chou. 政治大 Advisor：Hung-Chin Jang. ‧ 國. 學 y. sit er. io. al. ‧. Nat. 國立政治大學資訊科學系碩士論文. n. A Thesis iv n C U h e n g c hofi Computer Submitted to Department Science National Chengchi University in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Master in Computer Science 中華民國九十九年十一月 November 2010.

(3) 在 IEEE 802.16j 行動多重跳躍中繼網路上具服務品質感知的混和自動重傳機制. 摘要 IEEE 802.16 標準中有所謂 Mobile Multi-hop Relay（MMR）的概念，然而基地台覆蓋範圍不足及遮蔽效應等問題尚待解決，因此在 IEEE 802.16j 標準. 政治大中提出 Relay Station（RS）以提升網路傳輸量並增進無線通訊品質。在 MMR 立. ‧ 國. 學. 中由於多了中繼傳輸站來傳遞資料，因此需要有較多的連線頻道，此外也. ‧. 不能保證所有頻道都處於良好狀態，所以會有很高的機率造成資料傳送失. sit. y. Nat. 敗。混和自動重傳要求（Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ）的提出. n. al. er. io. 便是用來保證資料傳遞成功的機制。HARQ 在 IEEE 802.16-2004 就已被提. iv. 出，然而我們發現該 HARQ C機制在 802.16j 中是不具效率的，而且也並無法 Un. hengchi. 確保 QoS（Quality of Service）的要求。在本論文中我們改善 Chen[4]所提出的 Dynamic Pre-allocation HARQ（DP-HARQ）機制，藉由考慮 slot 分配不足及封包發生非連續錯誤時造成延遲時間增加等問題，並加入具服務品質感知（QoS aware）的機制，以降低整體延遲時間（delay）並能有效提高吞吐量（throughput）。最後，我們以具二個 hop 以上的模擬環境，證明我們所提出的方法優於 802.16j 的 HARQ 機制及 Chen[4]的方法。 i .

(4) QoS Aware HARQ Mechanism in IEEE 802.16j MMR Network. Abstract. Mobile Multihop Relay (MMR) had already been defined in IEEE 802.16 network. The major purpose of MMR is to efficiently extend the coverage of a. 政治大 defined in IEEE 802.16j立 is thus proposed to fulfill these goals. Because of the. base station and to solve the shadow fading problem. The Relay Station (RS). ‧ 國. 學. MMR Relay Station, we need more channels to transmit packets. However we cannot guarantee that all chaneels are in good condtion, there might be a high. ‧. probability of failure transmission. The Hybrid Automatically Repeat reQuest. sit. y. Nat. (HARQ) mechanism is therefor proposed to ensure the successful transmission.. er. io. The HARQ proposed in IEEE 802.16-2004 is not sufficient in 802.16j. Besides. n. a l (Quality of Service) requirements. it can not help to meet QoS In this reserch we iv Un. C. h e n g c h iHARQ (DP-HARQ) mechanism by improve Chen’s [4] Dynamic Pre-allocation. considering some problems like lack of slot allocation and packet transmission failure with non-continuous error, etc. We add the QoS aware mechanism to reduce the overall delay time and improve the throughput effectively. Finally, we simulate three hops environment and show that our method outperforms both the standard IEEE 802.16j the HARQ mechanism and Chen’s [4] method.. ii .

(5) 致謝辭首先，我要感謝我的指導教授張宏慶博士在這兩年來對我的教導，不只是課業、研究甚至是心靈生活都有給予照顧及幫助，讓我能順利研究、快樂生活。再來，我要感謝我的口試委員教授，很榮幸能接受教授們的指導，才能有這精采的論文。. 政治大. 再來，我要感謝 MCLAB3 所有實驗室成員，謝謝國淵學長的激勵與指. 立. ‧ 國. 學. 導，謝謝韋良、立吉和孜銚同學的互相討論與督促，謝謝建彪、佩璇、鐘毅、雅莉和昀峻學弟妹的支持與幫助。還有要感謝其他資科系的同學、學. ‧. 長姐及學弟妹，沒有大家我的政大生活就不會這麼多彩多姿。. er. io. sit. y. Nat. n. 最後，我要感謝我的家人，爸爸、媽媽、二弟和小弟，還有 cash，謝謝 a v. i l C n U hengchi 你們大家的鼓勵與照顧，我才可在家中過得這樣舒適安心。然後我要感謝我的女朋友，如禪。讓我在研究的路途上不孤單並且不畏困難，當我遇到挫折的時候能陪我散心並給予最大的鼓勵。真的非常感謝大家，在未來我會不辜負大家的期望，持續自我進修並充實自己，用積極樂觀的態度來面對往後的人生。. iii .

(6) 目錄第一章簡介 .............................................................................................................................. 1 1.1 背景 ............................................................................................................................. 1 1.1.1 IEEE 802.16 簡介 ............................................................................................. 1 1.1.2 IEEE 802.16j Multi-hop Relay 簡介 ................................................................. 2 1.1.3 Transparent mode 和 Non-transparent mode .................................................... 3 1.1.4 Access link 和 Relay link .................................................................................. 4 1.1.5 IEEE 802.16j 的 frame 架構 ............................................................................. 4 1.2 研究動機與目的 ......................................................................................................... 7 1.3 論文組織與架構 ......................................................................................................... 8 第二章相關研究 .................................................................................................................... 9 2.1 錯誤控制（Error Control） ....................................................................................... 9 2.2 Multi-hop Relay 上的 ARQ 機制 .............................................................................. 10 2.3 預先保留 slot（Pre-allocated slot） ........................................................................ 13 2.4 AIAD（Addition Increase/Addition Decrease） ....................................................... 14 2.5 QoS（Quality of Service） ........................................................................................ 15 第三章研究方法 .................................................................................................................. 18 3.1 問題分析 .............................................................................................................. 18 3.1.1 需考慮因沒有足夠 slot 的 pre-allocated slot 配置 ....................................... 18 3.1.2 需考慮不同類別的 QoS ................................................................................ 18 3.1.3 重傳次數限制 ................................................................................................ 19 3.1.4 在某些條件下 AIAD 並不適用 .................................................................... 19 3.1.5 分配多餘的 pre-allocated slot 需在下一次 scheduling 前被釋出 ............... 20 3.1 研究方法 .............................................................................................................. 23 3.2.1 分配 pre-allocated slot 限制（total slot limit） ............................................ 23 3.2.2 分配 pre-allocated slot 優先權控制（prioritze pre-allocated slot） ............ 23 3.2.3 倒數控制（Count Down）............................................................................ 25 3.2.4 最大重傳次數（Maximum Retransmission Times） ................................... 25 3.2.5 最大 pre-allocated slot 分配個數（Maximum Slot） .................................. 27 3.2.6 使用 pre-allocated slot 限制（Using Pre-allocated Slot Limit）.................. 29 3.3 系統架構 ................................................................................................................... 30 3.3.1 基地台（Base Station） ................................................................................ 34 3.3.2 中繼站台（Relay Station） .......................................................................... 35 3.4 系統分析 ................................................................................................................... 37 第四章模擬實驗與數據分析 .............................................................................................. 42 第五章結論與未來展望 ...................................................................................................... 71 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. iv . i Un. v.

(7) 圖目錄圖 1-1：穿透模式與非穿透模式 .............................................................................................. 3 圖 1-2：Access link and Relay link ........................................................................................... 4 圖 1-3：Transparent Relay frame structure ............................................................................... 5 圖 1-4：Non-transparent Relay frame sturcture ........................................................................ 6 圖 2-1：End-to-End ARQ ........................................................................................................ 11 圖 2-2：Hop-by-hop ARQ ....................................................................................................... 12 圖 2-3：Relay ARQ ................................................................................................................. 13 圖 3-1：非連續錯誤的情形造成高延遲和 pre-allocated slot 無用 ...................................... 20 圖 3-2：Empty Slot 因為沒有用到，所以轉成 pre-allocated slot 分配 ............................... 21 圖 3-3：將 pre-allocated slot 平均分給三條不同的 link 上 .................................................. 21 圖 3-4：僅 4 個 allocated slot 卻需傳送資料給 3 個 MS ...................................................... 22 圖 3-5：無論在何處重傳封包都需要二倍總 hop 數的時間 ................................................ 24 圖 3-6：非連續錯誤狀況下因預留 pre-allocated slot，使得延遲時間下降 ....................... 25 圖 3-7：改良後的 ARQ 流程 ................................................................................................. 26 圖 3-8：MR-BS 系統架構 ...................................................................................................... 31 圖 3-9：MR-BS 開始運作 ...................................................................................................... 31 圖 3-10：MR-BS 收到 ACK 訊息 .......................................................................................... 32 圖 3-11：MR-BS 收到 NACK 訊息 ....................................................................................... 33 圖 4-1：BE 在 Pr=0.5 的 Average Delay Time ....................................................................... 43 圖 4-2：BE 在 Pr=0.5 的 Packet Drop Rate ............................................................................ 43 圖 4-3：BE 在 Pr=0.5 的 Average Jitter .................................................................................. 44 圖 4-4：BE 在 Pr=0.5 的 Average Throughput ....................................................................... 44 圖 4-5：BE 在 Pr=0.5 的 Average Delay Time ....................................................................... 45 圖 4-6：BE 在 Pr=0.5 的 Packet Drop Rate ............................................................................ 46 圖 4-7：BE 在 Pr=0.5 的 Average Jitter .................................................................................. 46 圖 4-8：BE 在 Pr=0.5 的 Average Throughput ....................................................................... 47 圖 4-9：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Delay Time ................................................................. 48 圖 4-10：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Delay Time ................................................................. 48 圖 4-11：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Delay Time ................................................................... 49 圖 4-12：rtPS 在 Pr=0.001 的 Packet Drop Rate .................................................................... 49 圖 4-13：rtPS 在 Pr=0.01 的 Packet Drop Rate ...................................................................... 50 圖 4-14：rtPS 在 Pr=0.1 的 Packet Drop Rate ........................................................................ 50 圖 4-15：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Jitter .......................................................................... 51 圖 4-16：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Jitter ............................................................................ 52 圖 4-17：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Jitter .............................................................................. 52. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. v . i Un. v.

(8) 圖 4-18：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Throughput ............................................................... 53 圖 4-19：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Throughput ................................................................. 53 圖 4-20：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Throughput ................................................................... 54 圖 4-21：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Delay ........................................................................ 54 圖 4-22：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Delay .......................................................................... 55 圖 4-23：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Delay ............................................................................ 55 圖 4-24：rtPS 在 Pr=0.001 的 Packet Drop Rate .................................................................... 56 圖 4-25：rtPS 在 Pr=0.01 的 Packet Drop Rate ...................................................................... 57 圖 4-26：rtPS 在 Pr=0.1 的 Packet Drop Rate ........................................................................ 57 圖 4-27：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Jitter .......................................................................... 58 圖 4-28：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Jitter ............................................................................ 58 圖 4-29：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Jitter .............................................................................. 59 圖 4-30：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Throughput ............................................................... 60 圖 4-31：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Throughput ................................................................. 60 圖 4-32：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Throughput ................................................................... 61 圖 4-33：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Delay ........................................................................ 61 圖 4-34：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Delay .......................................................................... 62 圖 4-35：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Delay ............................................................................ 62 圖 4-36：rtPS 在 Pr=0.001 的 Packet Drop Rate .................................................................... 63 圖 4-37：rtPS 在 Pr=0.01 的 Packet Drop Rate ...................................................................... 63 圖 4-38：rtPS 在 Pr=0.1 的 Packet Drop Rate ........................................................................ 64 圖 4-39：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Jitter .......................................................................... 64 圖 4-40：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Jitter ............................................................................ 65 圖 4-41：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Jitter .............................................................................. 65 圖 4-42：rtPS 在 Pr=0.001 的 Average Throughput ............................................................... 66 圖 4-43：rtPS 在 Pr=0.01 的 Average Throughput ................................................................. 66 圖 4-44：rtPS 在 Pr=0.1 的 Average Throughput ................................................................... 67. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vi . i Un. v.

(9) 表目錄表 2-1：WiMAX QoS[2] ......................................................................................................... 17 表 3-1：Maximum Slot of each QoS traffic ............................................................................ 29 表 4-1：各個模擬實驗的提升數據表 .................................................................................... 68. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vii . i Un. v.

(10) 第一章簡介 1.1 背景. 政治大近年來，隨著無線網路的技術不斷的進步，無線傳輸的使用需求範圍不再滿足於僅支援立 1.1.1 IEEE 802.16 簡介. ‧ 國. 學. 室內傳輸，更進一步的希望擁有和現在骨幹網路的競爭的能力。因此，在愈來愈需要遠距離，高傳輸速率和寬頻的大環境下，現行的無線網路技術 WiFi （IEEE 802.11a/b/g）. ‧. 顯然已經無法滿足使用者的需求。此外，由於現階段的無線與行動通訊系統費率高昂、. sit. y. Nat. 傳輸速率不理想、使用便利性不足所造成的性價比不高，且無線語音、數據通訊與各種. io. al. n. Interoperability for Microwave Access）因而產生。. Ch. engchi. er. 行動服務需求日漸高漲，於是一種新型的無線網路通訊技術 WiMAX（Worldwide. i Un. v. WiMAX 具備了傳輸距離長、高傳輸速率、快速佈建以及低成本的特性。加上 IEEE 802.16 具有 QoS 的頻寬管理能力，以及在 IEEE 802.16e 所追加行動通訊的支援，這也使得 WiMAX 擁有了整合無線和通訊系統的能力。. 但根據實際網路規劃後所得到的結果，WiMAX 基地台在市區內合理的涵蓋範圍大約僅有數公里，這跟我們所熟知 WiMAX 具備長距離傳輸有所落差，而且有效的傳輸速率會隨著與基地台的距離越長而降低。因此，處在基地台涵蓋交界處的使用者會因其較差的訊號品質而造成較低的傳輸速率，這也跟 WiMAX 的高傳輸速率有所不同。. 1 .

(11) 我們比較現今的電信網路，發覺現今的電信網路中主要採用微細胞（micro cell）基地台或強波器（repeater）的佈置來改善此問題。然而前者的問題在於成本過高，而後者則會有干擾訊號被一併放大的問題，較缺乏智慧型控制機制。為了在成本及效能間取得較佳的平衡點，IEEE 802.16 標準制訂組織開始成立 Mobile Multi-hop Relay（MMR）研究小組來研究在 IEEE 802.16 系統中採用中繼傳輸（relay）技術的可行性。. 政治大. 雖然中繼傳輸（relay）技術用來擴大無線傳輸範圍並非新觀念，但被實作出來卻是. 立. 在最近幾年的事。在 IEEE 802.16e-2005 中，有許多研究是著重於 Multi-hop Relay 的相. ‧ 國. 學. 關概念，因此 IEEE 802.16j 被制定出來所著重之處便在於 Relay 所造成在以往 IEEE 802.16 標準所產生的問題。. ‧. Nat. sit. y. Peters[9]提到 IEEE 802.16j 的標準制訂並非期望設計出一個全新包含多重跳躍. n. al. er. io. （multi-hop）技術的無線網路，而是延伸僅支援單一跳躍（single-hop）技術的 IEEE 802.16 進而涵蓋多重跳躍技術。. Ch. engchi. i Un. v. 1.1.2 IEEE 802.16j Multi-hop Relay 簡介現今無線接取網路（Radio Access Network）的架構主要是由基地台（Base Station, BS）與用戶端（Subscriber Station, SS）所組成。藉由網路規劃可以將基地台放置於適當的地點來確保在有限傳輸功率下可以使訊號完整覆蓋特定區域。而實際情況是，在基地台傳送資料給用戶端時，雖然用戶端位於基地台的涵蓋範圍內，但還是很有可能會因為地形地物而造成訊號的遮蔽衰落（shadow fading）效應，再加上為了擴大基地台涵蓋範圍（coverage extension），在 IEEE 802.16j 中加入中繼站（Relay Station, RS）以轉傳資料。. 2 .

(12) RS 首先接接收來自基地地台發送的的訊號，接著著再將訊號號轉送給用戶用戶端。藉由由適當佈放放 RS 可可使訊號避避開不理想的的傳播路徑徑以減少衰減減，同時在在轉傳訊號時號時可再度調調高功率，也可可以加強用戶戶端所接受受到的訊號品品質。. 1.1.33 Transparrent modee 和 Non-trransparen nt mode RS 根據的的佈放情形可可分成兩種種模式。第一一種情形是，將 RS 佈佈放於原有基基地台之涵涵蓋範範圍中，用戶戶端可直接接接受到基地地台發送的的控制訊號，此種佈置置方式較常用用於遮蔽效效. 政治大. 應嚴嚴重的區域域，以期改善善訊號品質質並進而增增加資料傳傳輸率，此此方法稱為為穿透模式式. 立. （Trransparent Mode）如圖 M 圖 1-1。第二二種情形是是讓原本無法法被服務的的用戶端藉由由適當佈置置. ‧ 國. 學. RS 的的轉傳得以以與基地台建建立連線。此此時的控制制訊號與其他他資料皆需需透過 RS 的轉傳才能的能送達達用戶端或下下層接收端端。如此，可可擴展基地地台的涵蓋範範圍，讓電電信業者在不不易放置基基. ‧. 地台台的地區藉由由 RS 的轉傳傳得以提供供有效服務，此方法稱稱為非穿透模模式（Non--transparentt. Nat. sit. y. Modde）如圖 1-11。在此模式式下，RS 並並非只是轉傳傳資料，而是是讓用戶端端把 RS 當作作基地台。. n. al. er. io. IEEE E 802.16j 研究小組曾決研決議該標準準必須在不修修改用戶端端規格之限制制下亦能正正常運作。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1-1：穿穿透模式與與非穿透模式式。 3 .

(13) 1.1.44 Access link 和 Rela ay link 8 的網網路架構之之下，MS 可依據連線線品質判斷斷要與 MR R-BS 連線線在 IEEE 802.16j 或透透過 RS 與 MR-BS 進行連線。由進由於有 RS S 的出現，在 MR-BS S 與 RS 和 MS 的連連線需需做區隔，因因此 IEEE 802.16j 定定義了兩種種連線，Acccess link 及 Relay lin nk。Accesss link 包含 MS 與 RS 連線線及 MS 與 MR-BS 的連線。的 E 802.16j 研究小組組曾決議該該標準須在在不修改用用戶端規格格下仍能運運作，所以以 IEEE. 政治大與R RS 間的連線線，Relay y link 是 8002.16j 標準準中新的連連線定義名名詞。立. Acceess link 必須與必 IEEE E 802.16ee 相容。Reelay link 包含包 RS 與 MR-BS 連線及連 RS S. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1-2：A Access link and a Relay link。. 1.1.55 IEEE 802.16j 的 frrame 架構構 IEEE 802.16j 系統採採用正交多頻頻多重擷取取（OFDMA A）技術，其多載波及及多通道特特性可可同時支援多多個使用者者。因為 RS 的出現，在在 frame 的架架構上也不不同，在 IE EEE 802.16jj 上提提出了兩種 frame f 架構，transpareent relay fraame structure 及 non-trransparent relay r framee struccture。. 如圖 1-3 所示所，在 WiM MAX 中一個個 frame 可切切割為上行行（UL subfrrame）及下行行 subframee 4 .

(14) （DL L subframe）。上行 sub bframe 包括括上行資料和和 ranging subchannell，下行 subframe 可分分為D DL access zoone 和 optio onal transpaarent zone。。在 DL acccess zone 中 MR-BS 會傳送會 FCH H （fraame controll header）、DL_MAP、、 UL_MAP P 和下行使使用者的資料料。RS 在這這段時間內內等待待接受到 MR R-BS 的訊號號後並依照照收到的指令令在 Option nal Transparrent Zone 傳輸資料給傳給使用用者。MR-B BS 在這段時時間可自行行選擇是否與與 RS 或 MS M 溝通。D DL_MAP 和 UL_MAP P 主要要是提供使用用者的傳輸輸資料會被分分配在 UL subframe 或 DL subfrrame 的哪個個區塊。此此外在在 transparennt relay fram me structure 下的 RS 並不會發送自並自己的 preeamble，因此此使用者並並不會會察覺有 RS S 的存在。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1-3：Transpparent Relay y frame stru ucture[3]。. 圖 1-4 是 non-transpar n rent relay fr frame structture。與 traansparent reelay frame structure s 相. 5 .

(15) 同將將一 frame 分割成分 DL subframe s 與 UL subfraame，而此兩兩 frame 又再再分成 access zone 與 relayy zone，其中中 access zo one 即 acce ss link 的資資料傳輸區間間；relay zzone 即 relaay link 的資資料傳傳輸區間。在在 UL subfraame 上與 trransparent relay r frame structure 的 UL subfraame 相同，而D DL subframee 中也同樣包包含 FCH、、DL_MAP、UL_MAP P 和下行使使用者的資料料，MR-BS S 可藉藉由 Relay Zone Z 告知 RS R 需在何時時與指定的的通道轉傳資資料。. R RS 的 frame 架構與架 MR R-BS 相同，在 DL Acceess Zone 也包包括 pream mble、FCH、DL_MAP、 D. 政治大. UL_M MAP 和下行行使用者資資料。因此 RS 需要轉轉傳 MR-BS 發送給自己己的 preamb ble。在 DL L. 立. Relayy Zone 中，，RS 會接收收來自 MR--BS 的資料料並在下一個個 frame 中中作轉傳的動動作。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1-4 4：Non-trannsparent Relay frame sttructure[3] 。. 6 .

(16) 1.2 研究動機與目的無線網路的訊號不良可能會造成封包的遺失，封包遺失會增加解碼端解碼錯誤的機率，進而影響多媒體影音品質。而多媒體傳輸常用的網路傳輸協定為 UDP （User Datagram Protocol，用戶資料流協定）與 TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）。不同的是，UDP 並非採取連線導向的機制，並未提供可靠的傳輸模式。在 UDP 傳輸過程中，使用者接收到封包後，不會回覆回應封包（ACK）給傳送端，所以 UDP 封包不像 TCP 封包有較為嚴密的驗證機制，它也不保證每個封包都能到達目的地，在封包遺失的. 政治大. 狀況下，多媒體影音品質也跟著下降，聲音會變得斷斷續續的或者影片會出現失真、停. 立. 格、馬賽克等現象，這都會大大降低使用者的滿意度。. ‧ 國. 學 ‧. 在傳統有線環境下當網路上流量過大超過網路設備負荷量，或網路中部分線路品質不穩時，可能會有部份封包於傳送過程中遺失。而在無線網路環境中，受限於物理環境. y. Nat. er. io. sit. 的影響，使得傳送訊號會因訊號耗弱、通訊死角或氣候干擾等因素造成傳輸失敗，與有線網路相比不論在自然因素、物理現象、媒介或是協定上都顯得較為不穩定，因此當使. n. al. Ch. i Un. v. 用者透過無線網路接收多媒體影音串流資料時，影音品質可能不如有線網路，造成傳送影音品質下降。. engchi. 在 WiMAX 無線環境傳輸下是可能發生錯誤（Error）的，但在 IEEE 802.16 的 MAC 規範中，QoS 的 rtPS 等即時性封包機制並無強制採用重傳機制，此導致即使擁有再好的壓縮演算法，也不足以應付 Error 所損失的封包。我們期望在 IEEE 802.16j 的 MAC 層上改進此缺失，將遺失封包盡可能的救回。在補救機制中，使用者發佈混和自動重送要求（Hybrid Auto Repeat Request，HARQ）是一項不錯的選擇。在本研究中即以 IEEE 802.16j 網路為基礎，藉由改良 HARQ 流程重新評估不同 QoS 等級封包的重傳機制，並. 7 .

(17) 提出完善可行的具服務品質感知的 pre-allocated slot 機制，盡可能在有限制的條件下，讓傳輸品質最佳化。. IEEE 802.16j 雖被制定出來解決中繼傳輸所帶來的問題，但卻相繼帶來許多挑戰是尚待解決的[9]。多加入了中繼站（Relay Station, RS），使得許多在 IEEE 802.16e-2005 中的標準技術不適於 IEEE 802.16j。其中，在 IEEE 802.16 標準裡的 MAC 層是需要保證. 政治大. QoS（Quality of Serviec），在 802.16j 一樣不例外。在多個跳躍點下，如何利用 Hybrid. 立. Automatic Repeat reQuest（HARQ）降低延遲時間以保證 QoS 正是我們所要研究的議題。. ‧ 國. 學. 1.3 論文組織與架構. ‧. 本論文章節架構如下：第一章介紹 IEEE 802.16j 的背景知識及其架構，並說明本研. y. Nat. er. io. sit. 究的主要動機與目的。第二章為相關研究。我們研究在標準規格書上各類別的服務品質參數及在 802.16j 上可進行的快速重傳機制（pre-allocated slot），並提 DP-HARQ[4]方法. n. al. Ch. i Un. v. 的不足之處，如未限制 slot 數（slot limit）、在高錯誤率的環境下無法有效發揮（AIAD）、. engchi. 演算法上無釋放佔有 slot 的空間及並未針對各類別的服務品質（QoS）設計合適的 HARQ 機制。第三章介紹本研究所提出的方法。我們將針對不同 QoS 設定不同的 Maximum Slot 個數並增加重傳次數限制（retransmission times limit）。另外增加使用 pre-allocated slot 的限制（using pre-allocated slot limit）。針對在高錯誤率下使用 pre-allocated slot 機制的不足，改正此缺失卻也保持原 pre-allocated slot 機制的優點，增加傳輸效率。再根據所提出的研究方法建立整個系統架構，並利用數學分析式進行系統分析。第四章敘述論文的模擬環境，以及一些假設與參數設定，藉由模擬器進行模擬實作與效能分析。第五章為本研究成果提出總結，並說明未來後續可研究發展的方向。. 8 .

(18) 第二章相關研究 2.1 錯誤控制（Error Control）. 政治大成封包在傳輸過程中發生遺或錯誤的現象。因此我們需要錯誤控制（Error Control）機立無線資料的傳播，可能會因傳輸通道的快速變化或多重路徑以及訊號衰弱的情況下，造. ‧ 國. 學. 制使傳輸封包能因為重傳或錯誤更正而正確無誤的傳達到目的。基本上，有關錯誤控制的方法大致可分為順向錯誤更正 FEC（Forward Error Correction）及自動重送要求 ARQ. ‧. （Automatically Repeat reQuest）。FEC 應用 Error Correction Codes 先將資料編碼後再傳. sit. y. Nat. 輸出去，即使在接收端有錯誤發生時，可利用編碼機制，在容許的錯誤範圍內，將資料. io. er. 更正回來，是屬於單項系統。而 ARQ 是應用 Error Correction Codes 將資料編碼後再傳. al. iv n C hengchi U 給發射端，以表示該封包已經正確接受或錯誤接收，然後再由發射端研判是否需要重傳 n. 輸，若在接收端發生錯誤，利用 Feedback Channel 回傳正回應（ACK）或負回應（NACK）. 封包，是屬於雙向系統。. 比較上，FEC 需要較複雜的解碼器，但可維持即時串流的需求。而 ARQ 的解碼器較簡單，但需要 Feedback Channel 以及多次的重傳才能成功，因此會有較大的延遲時間，較不適合即時資料的傳輸。當通道的錯誤率提高時，FEC 必須要有更多的冗餘位元（Redundancy），而 ARQ 則需要較多次的重傳，兩者都會造成系統的傳輸率降低。因此一種結合 FEC 與 ARQ 方法的 HARQ（Hybrid Automatically Repeat reQuest）混合自動重送要求機制便被提出。. 9 .

(19) 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。. 立. 政治大. 2.2 Multi-hop Relay 上的 ARQ 機制. ‧ 國. 學. 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. y. Nat. io. sit. End-to-end. er. 1.. 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. n. al. Ch. i Un. v. 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. engchi. 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。. 10 .

(20) 立. 政治大. sit. n. al. er. io. Hop-bby-hop. y. Nat. 2.. ‧. ‧ 國. 學圖 2-11：End-to-End ARQ。. Ch. i Un. v. 中繼傳輸站站不僅只是是轉傳資料，並且需要要回傳自身的的 feedback 訊息，因此此各個連線線. engchi. （linnk）是獨立立運作的。因因為不管任任何資料傳輸輸在何處的的跳躍點（hhop）發生錯錯誤，都可可以各各自回復錯誤誤封包，這這個機制具有有高效率以以及低延遲時時間的優點點。但是這樣樣一來中繼繼站（RS）的複雜雜度將會增增高而且封包包可能因為為各連線只考考慮本身的的狀態而被被滯留在 RS S 的 quueue 中。除除此之外，機制若要進進行換手，必須提供額額外的資料料讓自身節點點可以知道道其他他連線狀態。如圖 2-2，PDU#3 在 RS 和 MS M 之間發生生傳送失敗後敗後，僅需由由 MS 回傳傳 NAC CK 訊息給 RS，就能從從 RS 重新傳傳送封包給給 MS。而任任何的資料料封包傳送成成功，都會會馬上上得到 ACK K 訊息。. 11 .

(21) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 2-22：Hop-by--hop ARQ。。. 3.. Relay. Ch. engchi. i Un. v. 此機制是由由[5]KAIST T 大學提出出，結合 end d-to-end AR RQ 及 hop-bby-hop ARQ Q 的優點，使得得整體效率率不但提升，也讓延遲遲時間降低低。其最主主要概念是是除了讓 RS R 如同用用 hop-bby-hop 的方方式傳送外，在 RS 成成功接受封包包資料後，需需回傳一個個 RS-ACK//RS-NACK K 加上上 ACK/NAC CK 給 BS 以區隔資料以料傳送成功是是在 RS 還是還 MS。如如圖 2-3，若若傳送資料料發生生錯誤的地方方在 RS 到 MS 的連線線上 PDU#2，BS 就無無需再自行行重傳封包，而是交由由 RS 自自行重傳。此為結合 end-to-end e A ARQ 及 ho op-by-hop ARQ A 的概念念，讓 ARQ Q 機制運作作得更更有效率。. 12 .

(22) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. 圖 2-3：Relay y ARQ。. Ch. engchi. er. io. sit. y. Nat. al. i Un. v. 2.3 預先保留留 slot（Prre-allocatted slot）. 在 IEEE 8002.16 中，其其傳送資料料的模式主要要分為兩種種，其一是集集中型模式式（PMP），另一一種是分散型型模式（meesh）。在 8002.16j 中，由於其訊號號控制及資資料傳輸排程程或重傳資資料，都需交由基基地台管理理，所以運作作模式為集集中型模式。但在 8022.16j 中，這這樣的運作作方式式雖然方便，卻也帶來來很多問題。HARQ 封包的傳送封，其回應的的 ACK/NAC CK 訊號需需回傳傳給基地台來來重新排程程下次所需傳傳送的封包包，而每個封封包所需傳傳送的時間、來源端以以及目目的地都安排排在特定的的 slot 中傳送送。802.16j 的傳送機制的制類似於 endd-to-end 的傳傳送方法，每一一次的傳送都都需交由基基地台來管制制。. 13 .

(23) 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. 政治大. 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. 立. 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. ‧ 國. 學. 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。. io. sit. y. Nat. n. al. er. 2.4 AIAD（Addition Increase/Addition Decrease）. Ch. i Un. v. 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，. engchi. 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。. 14 .

(24) 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. 政治大. 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. 立. 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，. ‧ 國. 學. 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）. y. Nat. er. io. sit. 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。. n. al. Ch. i Un. v. SS 發出 DSA-REQ（Dynamic Service Addition Request）訊息給 MR-BS，MR-BS 收到請. engchi. 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. 15 .

(25) 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.. 政治大. ertPS（Enhanced Real-Time Polling Service），在 802.16-2005 規格書中新增此. 立. 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. ‧ 國. 學. 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。. Nat. y. rtPS（Real-Time Polling Service），主要用來支援定期傳送變動容量資料的變動. sit. 3.. n. al. er. io. 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. i Un. v. 及最大延遲。內部參數：Maximum Sustained Traffic Rate、Maximum Latency、. Ch. engchi. 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。 16 . .

(26) 表 2--1：WiMAX X QoS[2]。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. al. iv n C h數值，且除了 UGS S 和 rtPS 有最大延遲時有時間的參數最小保留頻頻 engc了 h iBEU外，其他 QoS 類別皆有最 n. 標定的五種不不同 QoS 類別的相關類關參數。值得得注意的是是表 2-1 為 WiMAX 標準中所制定. 寬要要求。. 17 .

(27) 第三章研究方法 3.1 問題分析. 政治大. 3.1.1 需考慮因沒有足夠 slot 的 pre-allocated slot 配置. 立. 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. ‧ 國. 學. 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. n. al. er. io. sit. y. Nat. 被考慮在其中的。. 3.1.2 需考慮不同類別的 QoSC. hengchi. i Un. v. 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。. 18 .

(28) 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。. 政治大. 3.1.4 在某些條件下 AIAD 並不適用. 立. 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. ‧ 國. 學. 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. Nat. sit. y. 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. n. al. er. io. 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. i Un. v. 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. Ch. engchi. 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。 19 .

(29) 圖 3-1：非連續 3 續錯誤的情情形造成高延延遲和 pre--allocated sllot 無用。. 3.1.55 分配多餘餘的 pre-allocated sllot 需在下下一次 scheduling 前被被釋出. 政治大. 若在頻寬足足夠的情況況下，為了充充分利用頻頻寬，在分配配傳送的封封包以及重新新傳送的封封. 立. 包後後，多餘的 slot 我們拿來來當作 pre-aallocated slo ot。但在分配配完各 link 上上的 pre-allocated slott. ‧ 國. 學. 後，假設還有多餘的 slot 沒有用到，此時我們會根據優先順序給予需要的 linkk pre-aallocated sllot。但分配配下去的 sloot 在 MR-B BS 下一次的的 schedulinng 時，不一一定是沒有有. ‧. 用到到的 slot，可可能會被當作作傳送資料料或者重傳傳舊資料的 slot。若就這 s 這樣把多餘餘的 slot 分. Nat. sit. y. 配下下去給需要的的 link 上而而不做刪減，在下一次次 MR-BS scheduling s 時，可能會會造成 linkk. n. al. er. io. 上有有太多的 pree-allocated slot s 而影響響到原來的資資料傳送。這這在 Chen[[4]的 pre-allocated slott. i Un. v. 分配配演算法中並並無說明，若按照演算算法中實際際操作將會造造成此問題題。如圖 3-2，在 BS S. Ch. engchi. schedduling 時，若有多餘的的 slot，也就就是圖中的的 empty slo ot，便可當當作 pre-alloccated slot。圖 3--3 是把 pre-allocated slot s 均分給給 BS 到 RS、RS 到 MS1 和 RS 到 MS2 三條條 link 上。圖 3-4 中加當 ppre-allocatedd slot 分配配完畢時，圖加入 MS3，由於 sloot 大部分都都已被當作作 pre-aallocated sloot 使用，能夠夠安排傳送送的 slot 數僅僅只有 4 個 slot 且需傳傳送資料給三三個 MS，這會會降低封包資資料的傳輸輸效率。. 20 .

(30) 政治大. 圖 3-22：Empty Slot S 因為沒沒有用到，所所以轉成 prre-allocatedd slot 分配。。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3-3：將將 pre-allocatted slot 平均均分給三條條不同的 linkk 上。. 21 .

(31) 政治大. 圖 3-4：僅僅 4 個 alloccated slot 卻需傳送資料卻料給 3 個 M MS 。. 立. 綜合以上的的問題分析析，我們需要要設計一方法法，不但需需要考慮不同同 QoS 等級級的需求和和. ‧ 國. 學. 各種種限制，也要要思考如何何安排 pre-aallocated slo ot 才能減少少延遲時間，讓 HARQ Q 機制可以以. ‧. 更符符合 802.16j 的運作模式式，可以大大量提升整體體系統的效效率。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 22 . i Un. v.

(32) 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. 政治大. 時，是否有在總 slot 數之下，若超過就不給 pre-allocated slot。. 立. ‧ 國. 學. 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. y. Nat. er. io. sit. 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. n. al. Ch. i Un. v. 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。. engchi. 23 .

(33) 立. 政治大. 圖 3-5：無論論在何處重重傳封包都需需要二倍總總 hop 數的時時間。. ‧ 國. 學. 我們後來再再繼續探討討優先權的問問題後，發發現到雖然重重傳的延遲遲時間都相同同，但是越越. ‧. 靠近近 MR-BS 的 link 因為所所傳遞的資資料較末端的的 link 多，prre-allocatedd slot 也需要要比較多，. Nat. sit. y. 所以以我們設定越越靠近 MR-BS 的 linkk 具有較高的的優先權。以下為優先先權設定的的演算法。. n. al. er. io. Priorritize Link Algorithm： A. i Un. v. P[] ：a list recoording the cu urrent numbber of pre-aallocated slo ot in certain link. Ch. engchi. Sort the P[link] in an increasing orderr based on the t distance to MR-BS Whille (total pre--allocated slot s exceedss bandwidth h or there is enough banndwidth) do o If total pre--allocated slot s exceed bbandwidth then t P[linkk] = P[link]] – 1. Else if therre is enough h bandwidthh then P[linkk] = P[link]] + 1. end. 24 .

(34) 3.2.33 倒數控制制（Countt Down）在動態調整整 pre-allocated slot 時時，我們在每每條 link 的紀錄上多增的增加一個參參數，Countt Dow wn（CD）。目目的是要解解決 3.1.4 節節的問題，，在封包發生非連續錯錯誤的情形形下，AIAD D 因封封包傳送成功功而把多餘餘的 pre-alloocated slot 刪除，造成成下一次若若封包傳送失失敗就會造造成 prre-allocatedd slot 的浪費費及如同 8002.16j HAR RQ 一樣的高高延遲時間間。所以我們們在封包發發生錯錯誤時，同樣樣給予一個 pre-allocate p ed slot，而若若是在下一次次傳送封包包是成功的的狀態下（並並未使使用 pre-alloocated slot，而需要刪刪除一個 prre-allocated d slot），並並不馬上扣除除所給予的的. 政治大. pre-aallocated sloot，而是扣扣除 CD 值，，直到 CD 值扣除至零值零時，才刪除刪除所給予那那條 link 上. 立. 的 prre-allocatedd slot。但如如果持續發生生錯誤，會會再給予一個個 pre-alloccated slot，並並且把 CD D. ‧. ‧ 國. 造成成的問題。. 學. 設回回原來的值。。如此不但但可以保留原原來動態調調整的優點，也可防止止在非連續錯錯誤情況下下. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 誤狀況下因因預留 pre-aallocated slo ot，使得延遲延遲時間下降降。圖 3-6：非連續錯誤. 如圖 3-6 在第一次傳在輸失敗後，，給一個 prre-allocated slot，在重重傳成功後（並未使用用 pre-aallocate sloot），扣除一一個 CD 值。在下一次次傳輸失敗時，就有一一個 pre-alllocated slott 可以以直接重新傳傳送封包，這樣只需要要二個 fram me 的時間就就可以成功功傳送封包。. 3.2.44 最大重傳傳次數（M Maximum Retransm mission Tim mes）各個 QoS Q 等級的的封包，由於於延遲時間間的限制不同同，所以其其重傳次數並並不固定。. 25 .

(35) 以U UGS、ertPS 和 rtPS 為例，即使我為我們把封包包成功送達到到目的，卻卻可能因為容容忍時間的的限制制而造成無效效的封包。因此系統盡因盡可能重傳重重要性高或或是影響度大大的 QoS 等級封包，等確保保其能在有效效時間內送送達目標。而且重傳封封包時尚須須考慮延遲時時間限制（（maximum m latenncy），只有有在時限前重重新傳送至至接收端才能能稱為有效效重傳。若封封包無法在在時限前完完成重重傳，以服務務品質的時效效性來看，這這些來不及及接收的即時時性封包都都將視作無效效而丟棄。因此此我們研究改改善 ARQ 流程架構，流讓封包重傳傳能有效改改善 QoS 品品質。如圖 3-7 3 所示。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 3-7：：改良後的的 ARQ 流程程。. Ch. engchi. i Un. v. 在改良後的的 ARQ 流程程中，MR-B BS 先行進入入準備傳送送階段，當 M MR-BS 尚未未收到 MS S 端回回送的 ACK K 或是回應 NACK，設設定封包進進入重傳階段段並先行等等待，並給予予至少可接接受的的等待時間，以及最大大等待時間的的限制。而而在嘗試重傳傳階段的過過程中，外加加判別條件件式一一：“最大重傳傳次數”，這這是利用流流量封包產生生後的時間間開始計算。QoS 中包包含 UGS、 ertPS S、rtPS 在標標準中有規規範最大可容容忍時間，在容忍時間間下允許該該封包可做幾幾次重傳的的限制制式，目的就就是為了避避免封包超過過 maximum m latency 的情況下仍的仍然做出重傳傳動作，所所以當當該封包被判判定超過條條件限制式規規定的時間間時，封包則則予以拋棄棄，反之，若若是回應傳傳送成成功則完成該該封包的流流程。. 26 .

(36) 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。. QoS class ={UGS、rtPS、ertPS} MLQoS ：the Maximum Latency for each class of QoS. n ：the number of hops between MR-BS and SS T f ：the frame duration. 政治大. RLQoS ：the Retry count Limit for each class of QoS. 立. n ⋅ T f + 2 ⋅ RLQoS ⋅ n ⋅ T f ≤ MLQoS. ‧ 國. 學. RLQoS ≤. DTQoS − n ⋅ T f 2 ⋅ n ⋅Tf. ‧. sit. y. Nat. 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 ⋅ T f ，所以傳. io. al. n. 重傳次數限制。. er. 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. Ch. engchi. i Un. v. 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。因此我們將 pre-allocated slot 的機制加入即時性的封包傳輸過程，如 UGS、ertPS、rtPS。經過實驗發現，由於即時性封包有其參數限制，maximum latency，若在第一次傳送時，封包發生錯誤後重傳並加入 pre-allocated slot 可以在封包又發生錯誤的狀況下及時重傳，但往往在第二或者第三次重傳時雖然有 pre-allocated slot 的幫忙，卻會因為超過 maximum latency 而成為無效封包。因此若有即時性的封包在傳送時，在第一次傳送封. 27 .

(37) 包時就應該有 pre-allocated slot 的幫忙。若沒有，極有可能會造成重傳時，封包的失效率大增。至於需要給予幾個 pre-allocated slot 才足夠，我們需要一個明確的參考值。. Maximum Slot，是傳送即時性封包（UGS、rtPS、ertPS）時可給予的最大 pre-allocated slot 限制。我們根據 delay time 的計算和 maximum latency 的限制定義出何謂 Maximum Slot。對於 nrtPS 及 BE 等級的封包，因為沒有 maximum latency 因此也就沒有 Maximum Slot。. 立. 學. ‧ 國. 首先我們定義參數及變數. 政治大. MS QoS ：the Maximum Slot for each class of QoS. ‧. QoS class ={UGS、rtPS、ertPS}. sit. y. Nat. MLQoS ：the Maximum Latency for each class of QoS. io. er. RD ：the Delay of Retransmission (use pre-allocated slot to transmit). al. n. D ：the Delay time for packet transmission form BS to MS. i n C U h e nandgSS n ：the number of hops between MR-BS chi. v. j ：the hop number. 然後我們以 maximum latency 為限制，定義出 Maximum Slot DelayTimeQoS ≤ MLQoS => MS QoS ⋅ RD + D first ≤ MLQoS. => MSQoS ≤. MLQoS − D first RD. 28 .

(38) 封包傳送成功，至少需要 2 倍的總 hop 數時間 D = 2n ⋅ T f. 在有 pre-allocates slot 情況下，傳送失敗重傳只需要 2 個 frame 時間 RD = 2T f. 政治大. 因此我們可以算出每種不同 QoS 的 Maximum Slot，如表 3-1 MLQoS − 2nT f 2T f. =. 立− n. MLQoS 2T f. 學. ‧ 國. MSQoS ≤. MSUGS ≤ MSertPS ≤ MSrtPS. ‧. Nat. n. al. Maximum Slot. Ch. MSUGS. engchi. sit. UGS. ertPS. er. io. QoS. y. 表 3-1：Maximum Slot of each QoS traffic。. i Un. v. MSertPS. rtPS MSrtPS. 3.2.6 使用 pre-allocated slot 限制（Using Pre-allocated Slot Limit）我們在有 pre-allocated slot 的狀態下，發現到可能封包在有 pre-allocated slot 的情形之下，自行重傳多次，導致雖然在 retransmission times 的限制以下但仍然會超過封包的最大容忍時間限制。這是因為 IEEE 802.16j 是多 hop 數的環境，封包傳輸發生失敗需要經過多個 hop 時間進行，在 MR-BS 判別封包失敗要進行重傳前是否超過其 transmission times 的時候，可能早在 link 有 pre-allocated slot 的情形下，已自行重傳多次，造成雖然不超過 transmission times 卻也早就成為無效的封包。. 29 .

(39) 而在即時性封包上，我們還另外增加更多的 pre-allocated slot，也就是 Maximum Slot。因為 Maximum Slot 是可以在 maximum latency 內重傳 slot 數的最大限制。而 Maximum Slot 在 MR-BS scheduling 時會預先給予各個 link 包含 Maximum Slot 個數的 slot，這樣很有可能雖然封包重傳還在 retransmission times limit 的限制內，卻因為使用到過多的 pre-allocated slot 造成 delay time 超過封包所能容忍的 maximum latency。因此我們需要另外設限，也就是在使用 pre-allocated slot 的數量需要在 Maximum Slot 的限制之下。若使用超過 Maximum Slot 的 pre-allocated slot，將表示這個傳送到達目的的封包就是無效的。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 所以我們除了 retransmission times limit 的限制外還需加上使用 pre-allocated slot 的限制（using pre-allocated slot limit）。才不會造成雖然在 retransmission times limit 的限制. ‧. 之下，卻早已超過 maximum latency 的限制。而 using pre-allocated slot limit 的值我們設. Nat. sit. y. 為 Maximum Slot 的大小，因為只要超過 Maximum Slot 就一定會超過封包的最大容忍時. n. al. er. io. 間限制（maximum latency）。 using pre-allocated slot = Maximum Slot. Ch. engchi. i Un. v. 3.3 系統架構根據以上方法我們制定好 MR-BS 以及 RS 各別的工作，並以流程架構圖表示。圖 3-8 是 MR-BS 的運作架構，我們將該架構圖分三部份說明，第一部分是 MR-BS 一開始的運作，第二部分是 MR-BS 處理 ACK 訊息，第三部分是 MR-BS 處理 NACK 訊息。. 30 .

(40) 立. 政治大. Nat. n. al. er. io. sit. y. ‧. ‧ 國. 學圖 3-88：MR-BS 系統架構。。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3-99：MR-BS 開始運作。。. 如圖 3-9，首先 MR-B BS 在接受到到所有 AC CK 及 NACK 的 feedbback 訊息後後，將 ACK K 及N NACK 封包拆拆開來處理理。. 31 .

(41) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. sit. io. n. al. er. Nat. 圖 3-10： MR-BS 收到收 ACK 訊息。訊. i Un. v. 如圖 3-10，若 feedbaack 訊息是 ACK，先判判斷為哪一一條 link 以以及是否需要要因傳送成成. Ch. engchi. 功而而刪減一個 pre-allocate p ed slot。若需需要，先將將 CD 值扣 1 然後判斷斷是否 CD 值等於值 0。若C CD 值等於 0，我們就把 0 把該條 linkk 上的 pre-aallocated slo ot 扣除一個個；若不等於於 0，就直直接進進行下一個步步驟。. 接著判斷所所傳送出去去的封包是否否為 UGS、、ertPS 或 rttPS，若是則則需要分配配 Maximum m Slot 個 pre-alloccated slot 在 link 上；若否則進行行下個步驟驟，如此持續續到所有的的 link 都做做完以以上動作。. 下一步將分分配的 pre-allocated sllot 加總起來來，是否超過過總 slot 限限制或還有剩剩餘的 slott 32 .

(42) 尚未未配置。我們們將 pre-allo ocated slot 根根據 prioritize list 排序序刪減或增增加。若超過過 slot 的限限制，則則優先刪除除 MS 端的 pre-allocateed slot 直到到符合總 slo ot 的限制。若仍有剩餘餘 slot 則就就優先先增加 MR-B BS 端的 pree-allocated slot 直到完完全用完剩餘餘的 slot 為為止。. 之後把這些些 pre-allocated slot 配配置在 DL-M MAP 及 UL L-MAP 上，然後進行傳傳送。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3-11：M MR-BS 收到到 NACK 訊息。訊. 如圖 3-11 ，若 MR--BS 收到 N NACK 的 feedback 訊息後，首首先判斷是是否有超過過 retrannsmission times t limit，若超過則丟丟棄該封包包；若否則再再判斷是否為為 UGS、erttPS 或 rtPS S 等類類別的封包。若是則再再判斷該封包包使用 pre--allocated slot s 是否超過過 using prre-allocatedd slot limit，若超超過則丟棄該該封包。若若非上述即時時性的封包包或沒有超過超過 using prre-allocatedd slot llimit，則增增加一個 pree-allocated slot 並重設設 CD 值，然然後開始進進行傳送。. 33 .

(43) 3.3.1 基地台（Base Station）我們根據上一節的架構圖及文字敘述，寫成虛擬碼並且實作在我們的程式上。. Stotal ：the total slot in DL_MAP Sused ：the current number of slot P[] ：a list recording the current number of pre-allocated slot in certain link. 政治大 If the ACK Channel is ACK or MR-BS Start scheduling, then go Step 3. 立. Step1：. ‧ 國. 學. Step2：. If the ACK Channel is NACK, then check if exceed Retransmission Times Limit,. sit. Nat. If No, then check which link and QoS type.. y. ‧. If Yes, then drop the packet. go End.. al. er. io. If it is {UGS, ertPS, rtPS}, then check if exceed Maximum Used slot.. n. iv n C U CD of P[link] = 2, go End. h e+ n1, and If No, then P[link] h i the g creset. If Yes, then drop the packet, go End.. If is not, then P[link] + 1, and reset the CD of P[link] = 2, go End. Step3： Check the pre-allocated slot of all link, if request to reduce a pre-allocated slot, then the CD of P[link] - 1. if CD is 0, then reduce one P[link]. Check the QoS type. If it is {UGS, ertPS, rtPS}, then add the QoS of Maximum slot to P[link]. go Step 4. If it is {nrtPS, BE}, then go Step 4. Step4：. 34 .

(44) For all link, Sused = Sused + P[link] /* the number of slot which is used */ Check if the slot we used exceed bandwidth, Sused > Stotal, If Yes, then reduce the pre-allocated slot to each P[link] based on link priority. If No, then check if there are remained slot which not be used, Sused < Stotal, If Yes, then add the pre-allocated slot to each P[link] based on link priority. If No, go Step5. Step5：. 立. 學. ‧ 國. For all link,. 政治大. Add extra HARQ slots in DL-MAP of current frame. Add extra feedback ACKCH in UL-MAP of next frame.. ‧. Nat. sit. y. 3.3.2 中繼站台（Relay Station）. n. al. er. io. 我們將 RS 的運作流程寫成虛擬碼，並實作於我們的程式上。當封包進到 RS 時，. i Un. v. 會先判斷是否是新的 HARQ 封包或者是 feedback 訊息，若是新的 HARQ 封包，就直接. Ch. engchi. 傳送給下一個 station；若是 feedback 訊息，我們則需要判斷是在 pre-allocated slot 或是在 normal slot 傳送成功，如果是 pre-allocated slot 傳送成功，就不做動作；若是在 normal slot 傳送成功則回傳 C0，就回 ACK 給上一個 station。若是傳送失敗，則再看還有沒有 pre-allocated slot 可以傳送，若有則重傳，若沒有則回傳 ACK[pkt] + 1。. 在封包或者 feedback 訊息傳送完成後，看是否還有 pre-allocated slot 而且在 RS 上還有封包因傳送失敗而被放入 queue 中。若有則將封包放在 pre-allocated slot 進行傳送。若到最後，pre-allocated slot 還是有剩餘，就要求 MR-BS 扣除一個 pre-allocated slot。這樣我們就完成 RS 的運作。 35 .

(45) ACK[]：ACK Channel Spre：the number of pre-allocated slot Step1： For all pkt If pkt is new then transmit, go Step 4. Else if pkt is successfully transmitted in previous transmission, go Step 2.. 政治大. Else if pkt is failed in previous transmission, go Step 3.. 立. Step2：. ‧ 國. 學. If pkt is transmitted in normal slot, then ACK[pkt] = C0, go Step 4. If pkt is transmitted in pre-allocated slot, then do nothing, go Step 4.. ‧. Step3：. y. Nat. n. al. er. io. Step 4.. sit. If pkt is transmitted in normal slot, put pkt to Queue, then ACK[pkt] = ACK[pkt] + 1, go. i Un. v. If pkt is transmitted in pre-allocated slot, then Spre = Spre– 1, go Step 4. Step4：. Ch. engchi. While Spre 0, do Pick a pkt from Queue, then transmit in pre-allocated slot. Spre = Spre– 1, end while. Step5： If Spre still 0, then request MR-BS to reduce one pre-allocated slot.. 36 .

(46) 3.4 系統分析我們參考 [4][5]中的實驗分析數學式設計出符合我們方法論中的數學分析式。首先我們參考了[5]的數學分析式，其模擬環境是以一個 MR-BS 連接一個 RS，然後 RS 再連接一個 SS，根據此模擬環境作者首先定義下列數個參數：. P1 : the PER of the link between the source and RS P2 : the PER of the link between the source and destination. 政治大. D1 : the average delay in the RS receiving the data from the source successfully (the proposed. 立. ARQ mechanism). ‧ 國. 學. D2 : the average delay in the RS receiving the data from the source successfully (the original. ‧. ARQ mechanism). sit. y. Nat. T : the frame duration. n. al. er. io. RT : the ARQ_RETRY_TIMEOUT period. Ch. i Un. v. Pf : the probability that the retransmission is triggered by the ARQ feedback message. engchi. Dt : the total delay from source to destination. 作者根據參數的定義和[5]所提出的 ARQ Relay 機制，計算出 D1 ∞. D1 = ∑ (T + 2i ⋅ T ⋅ Pf + RT ⋅ (1 − Pf )) ⋅ P1i (1 − P1 ) i =0. 假設 feedback messages 是沒有錯誤的， Pf =1. 37 .

(47) ∞. D1 = ∑ (1 + 2i) ⋅ T ⋅ P1i (1 − P1 ) = i =0. 1 + P1 ⋅T 1 − P1. 得知 D1 後，再計算出 RS 到 SS 之間的 delay time 然後加總 Dt ∞. Dt = ∑ (2T + 2i ⋅ T ⋅ Pf + RT ⋅ (1 − Pf )) ⋅ P2i (1 − P2 ) + D1 + T i =0. 政治大. 同樣，假設 feedback messages 沒有錯誤， Pf =1. 立. ∞. ‧. ‧ 國. i =0. 4 − 2( P1 + P2 ) ⋅T (1 − P1 )(1 − P2 ). 學. Dt = ∑ (1 + i) ⋅ 2T ⋅ P2i (1 − P2 ) + D1 + T =. 以上是[5]作者所提出 ARQ Relay 機制在 Multi-hop 的數學分析式. y. Nat. ∞. er. io. ∞. sit. 然後再分析 end-to-end ARQ 的 delay time，也就是 D2. i =0. n. D2 = ∑ (T + 4i ⋅ T ⋅ Pf + RT ⋅ (1a− Pf )) ⋅ P1i (1 − P1 ) = ∑ (T + 4i ⋅ Ti v) ⋅ P1i (1 − P1 ) =. l C hengchi Un i =0. 1 + 3P1 ⋅T 1 − P1. 同樣，假設 feedback messages 沒有錯誤並且再計算總 delay time， Dt ∞. Dt = ∑ ( D2 + T + ( D2 + 3T ) ⋅ i ⋅ Pf + RT ⋅ (1 − Pf )) ⋅ P2i (1 − P2 ) + 2T = i =0. 4 ⋅T (1 − P1 )(1 − P2 ). 但這僅適用於二個 hop 的計算。在多個 hop 的環境下，也就是我們所謂 802.16j MMR，需要考慮多個 hop 的計算。因此需要設計一符合 802.16j 的計算 delay time 的方法。. 因此，我們參考了[4]的數學分析式，不同於上述[5]是因為根據 802.16j 的標準，在. 38 .

(48) hop 數上不僅僅只有一個 RS，而是多個 RS 然後一個 MS。在 802.16j 上，也包含 relay link 以及 access link 這樣的差別，在一些參數的定義上會有不同。 Dorg ：the original total delay time D pre ：the DP-HARQ total delay time. Tt ：the transmission time of an HARQ packet T f ：a frame duration, including DL and UL frame. Tt = α T f. 立. 政治大. ‧ 國. 學. pa 、 pr ：the Packet Error Rate (PER) of the access link and the relay link X j ：the number of transmission over hop j. ‧ y. Nat. ⎧⎪(1 − pa ) pai −1 , hop j is access link ⎫⎪ P{ X j = i} = ⎨ ⎬ i −1 ⎪⎩(1 − pr ) Pr ,hop j is relay link ⎪⎭. n. al. Ch. engchi. er. io. sit. 然後根據不同的 link，分別定出不同的 PER（Packet Error Rate）機率. i Un. v. 所以我們可以依據定義，然後計算出原來 HARQ 在 802.16j 上的 total delay time， n. Dorg = ∑ (Tf + (2nTf )( X j − 1)) + (Tt − Tf ) j =1. 在計算出原來 HARQ 在 802.16j 上的 total delay time 後，還要計算出 DP-HARQ 的 total delay time，但我們需要給它另外增加一個條件. 39 .

(49) ⎧ 1, true ⎫ ⎬ ⎩0, false ⎭. I{condition} ：an Indication Random Variable ⎨. 之後便設計 DP-HARQ 的 total delay time 的數學分析式 n. Dpre = ∑ (Tf + (2nTf ) I{ X j > 1} + (2Tf ) I{X j > 2}) + (Tt − Tf ) j =1. 政治大. 以上是[4]作者所提出計算 delay time 的方法. 立. ‧ 國. 學. 我們可以看出，HARQ 的 delay time 計算，不外乎就是傳送的時間加上重傳的時間再加上回傳 ACK/NACK 的時間。在[4][5]的計算上雖看似不同，事實上是大同小異，只. ‧. 是在 DP-HARQ 的計算上面不只是單純兩個 hop 的 delay time，而是可以計算多個 hop. sit. y. Nat. 的 delay time。. n. al. er. io. 我們依照上述的數學分析式，定義出我們所需要計算 total delay time 的方法，是根. Ch. i Un. v. 據多個 hop 下的模擬環境 Chen[4]、適合我們的條件式 Chen[4]及 total delay time 的計算. engchi. 方法[4][5]，模擬並分析我們所提出的方法 Spre,j：在 hop j 上是否有 pre-allocated slot n. D = ∑ (Tf + (2nTf ) I{S pre, j = 0} + (2Tf ) I{S pre, j > 0}) + nTf j =1. 在 hop j 上若發生沒有 pre-allocated slot 的狀態下，需要 2 nT f 的重傳時間。若有 pre-allocated slot 的話，重傳只需 2T f 的時間。最後我們再加上成功傳送封包的回傳 ACK 的時間。 40 .

(50) 假設我們 rtPS 封包在第一次發生錯誤但在第二次傳送成功，而我們有預留多個 pre-allocated slot 的情況下，比較我們與 Chen[4]的 DP-HARQ 數學分析式。因為 DP-HARQ 在第一次傳送封包發生失敗的情形下，是一定沒有 pre-allocated slot 的。因此我們把兩個式子相比， D − D pre = (2T f ) − 2 nT f = 1 − n ，然後假設環境是 2 個 hop 以上， n ≥ 2 ，所以 D − D pre < 0 。. 政治大另外我們假設 BE 封包在第一次傳送失敗，第二次傳送成功但在第三次傳送新的 BE 立. ‧ 國. 學. 封包又失敗，最後第四次傳送成功的情況下比較兩個方法。在這樣情況下，Dpre 需要 2nTf + 2nTf + 2nTf + 2nTf ，D 在 CD 為 2 的情況下 delay time 為 2nTf + 2nTf + 2Tf + 2nTf，足. ‧. 足比 DP-HARQ 少 n-1 個 Tf 時間。由此可看出，在有預留較多 pre-allocated slot 的情況. sit. y. Nat. 下，可預先避免第一次傳送發生錯誤而必須重新由 MR-BS 傳送封包，並且在我們假設. io. n. al. er. 的環境下證明我們方法的 total delay time 小於 DP-HARQ 的 total delay time。. Ch. engchi. 41 . i Un. v.