無線網路改善頻寬分配之多重接取機制(I)Multiple Access Schemes with Improved Bandwidth Sharing for Wireless Networks

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

無線網路改善頻寬分配之多重接取機制(I)

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2213-E-110-054-執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學通訊工程研究所 計畫主持人： 李志鵬 計畫參與人員： 周信寬、林育輝、陳韋宗、潘積桂 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中

華

民

國 92 年 8 月 25 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫申請

書

一、基本資料： 申請條碼：

91WFA1000584 本申請案所需經費 (單 選) þＡ 類（研究主持費及執行計畫所需經費） ¨Ｂ 類（研究主持費，不須填寫表 C002 及 C005 至 C010） 計 畫 類 別 (單 選) ¨一般型研究計畫 ¨特約研究計畫 þ新進人員研究計畫 ¨其他_________ 研 究 型 別 ¨個別型計畫 þ整合型計畫 計 畫 歸 屬 ¨自然處 þ工程處 ¨生物處 ¨人文處 ¨科教處 ¨永續會 申 請 機 關 國 立 中 正 大 學 申 請 系 所_(單位) 資 訊 工 程 學 系 本計畫主持人姓名 李志鵬 職 稱 助理教授 _{身分證號碼 E121695951} 中 文 無線網路改善頻寬分配之多重接取機制 本 計 畫

名 稱 英 文 Multiple Access Schemes with Improved Bandwidth Sharing for Wireless Networks 整合型總計畫名稱 家用資訊網路之多媒體處理與通訊核心技術研究 整合型總計畫主持人 _{柳金章 身分證號碼 Q102950463} 全 程 執 行 期 限 自民國 91 年 08 月 01 日起至民國 94 年 07 月 31 日 學 門 代 碼 名 稱(如為其他類，請自行填寫學門) 研 究 學 門 (請 參 考 本 申請 書所 附之 學 門專長分類表填寫) EB 資訊工程二 研 究 性 質 ¨基礎研究 þ應用研究 ¨技術發展 本年度申請主持國科會各類研究計畫（含預核案）共 2 件。 本件在本年度所申請之計畫中優先順序(不得重複)為第 1 (共同主持之計畫不予計入) 本計畫是否為國際合作計畫 þ否； ¨是，合作國家:_____，請加填表 I001～I003 本計畫是否申請本會吳大猷先生紀念獎 þ否； ¨是，請務必填寫表 C013 計 畫 連 絡 人 姓名： 李志鵬 電話：(公) (05)272-0411~33114 (宅) 0938-303-262

通 訊 地 址 嘉義縣 621 民雄鄉三興村 160 號國立中正大學資訊工程學系 傳 真 號 碼 (05)2720859 E-MAIL [email protected]

計畫主持人 (申請人)簽章： 日期：

二、申請補助經費

執行年次 補助項目 第一年(91 年 8 月 ～92 年 7 月) 第二年(92 年 8 月 ～93 年 7 月) 第三年(93 年 8 月 ～ 94 年 7 月) 第四年(～) 第五年(～) 研究人力費 360,000 360,000 360,000 研究設備費 255,000 216,000 105,000 赴國外或大陸地區差旅費 0 0 0 出席國際學術會議費用 100,000 100,000 100,000 其他研究有關費用 128,100 128,100 128,100 管 理 費 84,300 80,400 69,300 小 計 927,300 884,400 762,300 中型儀器設備費 總 計 927,300 884,400 762,300 國家高速電腦中心時數 貴重儀器中心使用額度 博士後研究 共 名 共 名 共 名 共 名 共 名 博士班研究生獎助金 共 名 共 名 共 名 共 名 共 名 申 請 機 構 或 其 他 單 位 提 供 之 配 合 項 目 配 合 單 位 名 稱 配 合 補 助 項 目 配 合 補 助 金 額 配 合 年 次 表 C001

三、主要研究人力：

（一）請依照「主持人」、「共同主持人」、「協同研究人員」及「博士後研究」等 類別之順序分別填寫。 類 別 姓 名 身分證號碼 服務機構/系所 職稱 工作 月數 在本研究計畫內擔任之具 體工作性質、項目及範圍 主持人 李志鵬 E121695951 中正大學資工系 助理 教授 36 規畫與督導本計畫之執 行、系統整合、儀器採購 （二）如申請博士後研究，請分年列述博士後研究參與本研究計畫之 1.目的及必備之專長。 2.研究項目。 3.工作份量及其對該計畫之影響程度。 4.工作績效評估準則。 5.若已有人選者，請務必填註人選姓名，並將其個人資料表併同本計畫書 送本會。

四、整合型研究計畫項目及重點說明：

（總計畫及子計畫之主持人均需填 寫此表） （一）整合型研究計畫項目：

計 畫 項 目 主持人 服務單位/系所 職 稱

計 畫 名 稱

申請經費

總計畫

柳金章 國立中正大學 資訊工程學系 教授 家用資訊網路之多媒體 處理與通訊核心技術研 究(Ⅰ) 1,575,200

子計畫一

林嘉文 國立中正大學 資訊工程學系 助理 教授 家用資訊網路之壓縮視 訊串流及轉換技術研究 (Ⅰ) 842,600

子計畫二

柳金章 國立中正大學 資訊工程學系 教授 家用資訊網路之錯誤回 復視訊編碼及錯誤隱蔽 技術研究(Ⅰ) 880,000

子計畫三

李志鵬 國立中正大學 資訊工程學系 助理 教授 無線網路改善頻寬分配 之多重接取機制(Ⅰ) 927,300

子計畫四

賴文能 國立中正大學 電機工程學系 副教授 家用資訊網 路之音/視 訊內容特徵分析及其應 用研究(Ⅰ) 951,500

子計畫五

沈岱範 國立雲林科技大學 電機工程系 副教授 家用資訊網路之視訊監 視系統(Ⅰ) 600,000

子計畫六

（第一年）

計 畫 項 目 主持人 服務單位/系所 職 稱

計 畫 名 稱

申請經費

總計畫

柳金章 國立中正大學 資訊工程學系 教授 應用於資訊網路之多媒 體處理與通訊核心技術 研究(Ⅱ) 1,443,200

子計畫一

林嘉文 國立中正大學 資訊工程學系 助理 教授 家用資訊網路之壓縮視 訊串流及轉換技術研究 (Ⅱ) 841,500

子計畫二

柳金章 國立中正大學 資訊工程學系 教授 家用資訊網路之錯誤回 復視訊編碼及錯誤隱蔽 技術研究(Ⅱ) 891,000

子計畫三

李志鵬 國立中正大學 資訊工程學系 助理 教授 無線網路改善頻寬分配 之多重接取機制(Ⅱ) 884,400

子計畫四

賴文能 國立中正大學 電機工程學系 副教授 家用資訊網 路之音/視 訊內容特徵分析及其應 用研究(Ⅱ) 974,600

子計畫五

沈岱範 國立雲林科技大學 電機工程系 副教授 家用資訊網路之視訊監 視系統(Ⅱ) 540,000

子計畫六

（第二年）

計 畫 項 目 主持人 服務單位/系所 職 稱

計 畫 名 稱

申請經費

總計畫

柳金章 國立中正大學 資訊工程學系 教授 應用於資訊網路之多媒 體處理與通訊核心技術 研究(Ⅲ) 1,366,200

子計畫一

林嘉文 國立中正大學 資訊工程學系 助理 教授 家用資訊網路之壓縮視 訊串流及轉換技術研究 (Ⅲ) 815,100

子計畫二

柳金章 國立中正大學 資訊工程學系 教授 家用資訊網路之錯誤回 復視訊編碼及錯誤隱蔽 技術研究(Ⅲ) 858,000

子計畫三

李志鵬 國立中正大學 資訊工程學系 助理 教授 無線網路改善頻寬分配 之多重接取機制(Ⅲ) 762,300

子計畫四

賴文能 國立中正大學 電機工程學系 副教授 家用資訊網 路之音/視 訊內容特徵分析及其應 用研究(Ⅲ) 948,200

子計畫五

沈岱範 國立雲林科技大學 電機工程系 副教授 家用資訊網路之視訊監 視系統(Ⅲ) 540,000

子計畫六

（第三年）

（二）整合型研究計畫重點說明： 請就下列各點分項述明： 1.整合之必要性：包括總體目標、整體分工合作架構及各子計畫間之相關性與 整合程度。 2.人力配合度：包括總計畫主持人協調領導能力、各子計畫主持人之專業能力 及合作諧和性。 3.資源之整合：包括各子計畫所需各項儀器設備之共用情況及研究經驗與成果 交流情況。 4.申請機構或其他單位之配合度。 5.預期綜合效益。

1. 整合之必要性：

近年來由於多媒體應用的快速發展，電腦軟硬體性能的大量提升，有線/ 無線/網際網路大量並普遍的使用，及資訊家電的快速發展及推廣，因此各種 資料的流通、儲存及管理的需求就大量的提升。一部家用電腦可以儲存非常 大的資料，這些資料內容亦從過去的數字、文字等小量資料擴張為語音、圖 形、影像/視訊等多媒體資料。另外由於資訊家電的快速發展，原來在實驗室、 辦公室才能處理的多媒體處理及通訊正逐漸走入家庭及個人化環境，尤其是 無線/網際網路技術的發展和應用，更使多媒體資料進一步與家庭及個人生活 緊密結合。舉例來說，未來的 PDA 或無線手機就可以透過無線網路與外界通 話、觀賞 DVD 主機正在播放的精彩影片或觀察屋外的環境 (檢測是否有客人 或闖賊)… 。這些功能都是家用資訊網路 (home networking) 必須具備的基本 功能，在 DEC. 2001, IEEE Communications Magazine, vol. 39, no. 12 有一期 Special Issue 討論家用資訊網路，亦顯示 home networking 正是熱門的研究題

材。最近 10 年來各種語音、影像、視訊的壓縮標準，如 JPEG、JPEG-2000、 H.261、H.263、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、DAVIC… 等陸續訂定完成 (或

訂定中)，使得多媒體資料的儲存、傳輸、及交換更為方便，本整合型計畫的 內容是家用資訊網路環境中之多媒體處理與通訊核心技術研究。

單位之五位教授來共同進行在家用資訊網路之多媒體處理與通訊核心技術研 究，內容包含了以下五個子計畫： 子計畫一：家用資訊網路之壓縮視訊串流及轉換技術研究 子計畫二：家用資訊網路之錯誤回復視訊編碼及錯誤隱蔽技術研究 子計畫三：無線網路改善頻寬分配之多重接取機制 子計畫四：家用資訊網路之音/視訊內容特徵分析及其應用 子計畫五：家用資訊網路之視訊監視系統 如圖一所示，在子計畫一中，由於家用資訊網路中的各種資訊家電的高度 異質性，其目的在研究如何將多媒體資訊內容以串流技術傳送到各種不同規 格、性質的資訊家電中。另外不同規格、性質之多媒體資料間的轉換亦是其 研究重點。在子計畫二中，主要是各種多媒體 (影像/視訊) 資料在家用資訊 網路中傳輸、儲存，再取的過程中，由於傳輸通道 (尤其是無線通訊) 或儲存 媒體的雜訊干擾而使多媒體資料發生錯誤。由於多媒體資訊除表頭 (header) 外，幾乎都用 variable-length coding，一個字碼的錯誤使該字碼及接續字碼之 解碼錯誤，因此提出了錯誤回復視訊編碼及錯誤隱蔽技術，以解決多媒體 (影 像/視訊) 資料在家用資訊網路中發生錯誤的問題。在子計畫三中，無線通訊 網路的媒體接取機制技術研究，乃利用中央控制的機制以改善一般網路的缺 失，諸如乙太網路 BEB (binary exponential back-off) 機制所產生的“捕獲效 應”，除了頻道資源可以公平的分配給所有用戶外，各種不同應用亦可以得到 他們所需的服務品質要求。在子計畫四中，對在家用資訊網路中之多媒體 (音 /視) 資訊進行內容特徵分析及其相關應用研究。針對特徵的擷取與計算方法 做深入研究並加以整合，以達成對家用數位資訊之有效管理、與外界資訊之 有效交換、並提升家庭娛樂之應用。子計畫五中，研發家用資訊網路之視訊 監視系統，其中包含多種感測器資料的擷取、分析、通訊、處理等整合能力 (物

件萃取及視覺特性應用、視訊移動偵測技術、影像及視訊鑑定技術等)。 圖一： 各子計畫間之關係圖 當各種多媒體資訊透過無線網路傳輸時，可由子計畫三提供支持，而子 計畫三的無線多媒體傳輸技術的提升對於錯誤隱蔽及錯誤回復視訊編碼 (子 計畫二)效果的提升是一個重大因素，其中發展的傳輸模式亦可應用於子計畫 二中。對視訊串流 (子計畫一) 而言，若視訊內容中的錯誤無法做較佳的檢測 及隱蔽，則無論作任何視訊串流或 transcoding 效果將大打折扣，視訊監視若 是在不同的資訊設備上監控，則需子計畫一的視訊串流及轉換技術。視訊監 視 (子計畫五) ，若透過無線網路做壓縮視訊傳輸，則需要子計畫三的技術支 持，並需要子計畫二的錯誤回復視訊編碼及錯誤隱蔽技術的支持。子計畫四 的音/視訊內容特徵分析結果可以用在子計畫五視訊監視對視訊內容的分析， 可應用在子計畫一以提升視訊轉換的效果，同時亦可應用在提升子計畫二的 視訊 error concealment 效果上。

壓縮視訊串流

及轉換技術

(子計畫一)

無線網路頻寬分配之

多重接取機制

(子計畫三)

錯誤回復視訊編碼及

錯誤隱蔽技術

(子計畫二)

音/視訊內容特徵分

析及其應用

(子計畫四)

視訊監視系統

(子計畫五)

由以上分析可知，本整合型計畫的五個子計畫內容都是家用資訊網路中 多媒體處理與通訊的核心技術，而且五個子計畫緊密結合，息息相關。

2. 人力配合度：

本整合計畫主持人曾擔任中正大學資工系主任三年，並擔任中正大學工 學院代理院長八個月，並曾(正)參與共同主持三個國科會三年一期之整合型計 畫，因此能協調各子計畫主持人來進行此一整合型計畫，而賴教授及沈教授 分別曾參與共同主持一個國科會三年一期之整合型計畫。而本計畫參與的五 位教授在 Video、Speech、 Image、 Wireless Communications 等多媒體訊號 理與通訊、及無線通訊網路皆有多年之研發經驗，合計發表與本計畫相關之 期刊及會議論文著作更超過 130 篇。雖然本整合型計畫中有二位新進的助理 教授，惟林教授在工研院電通所有多年執行視訊多媒體研發計畫的經驗，李 教授則在 Lucent 有研發經驗，並在宏碁集團旗下公司帶領一個研發團隊做無 線通訊的系統研發，因此研發經驗十分豐富。 由於雲林科技大學與中正大學相距僅 35 分鍾車程，因此本計畫各主持 人能夠定期每週進行研究 meeting，交換研究成果，進而達成整合之目的。 多媒體處理與通訊之相關資料極多需要做整理，而且需要建立共同使用 的 server、工作平台及整合系統，因此本整合型計畫將聘任二位碩士班、一位 博士班兼任助理以負責儀器採購、儀器設備維護及管理、計畫成果整理與計 畫聯繫、共同使用之 servers、工作平台及整合系統之統籌/建立，若有必要亦 得由各子計畫支援人力。本整合型計畫共計會有 5 位教授及二十多個碩、博 士班研究生的參與，因此整體而言人力配合與支援絕無問題。

3. 資源之整合：

本計畫為跨校系之整合型研究計畫，主要研究空間為中正大學資工系、 電機系與雲林科技大學電機系之空間。目前這三個系所之工作站與個人電腦

均已經由網路連接，且老師與學生在對方機器上均有帳號，並能自由進入對 方實驗室使用各種設備。同時為達到儀器設備之最大使用效率，我們在整合 型計畫中所採購之設備也均採共用方式，以達資源充分利用與共享。而雲林 科技大學離中正大學僅 35 分鐘車程，因此各種學術、心得交流或是實驗的配 合也極為方便。再加上 TANET 上之 e-mail 及 talk 和每個禮拜之一次 meeting，必要時亦可使用 video conference 設備做 meeting，因而能充分達到

經驗交流及技術整合。

4. 申請機構或其他單位之配合度：

中正大學之計畫配合款金額為國科會所核准儀器設備費之百分之十(惟 核准之儀器設備費需達 20 萬)。且中正大學資工系、電機系、及雲林科技大 學電機系亦提供超過 60 坪之研究空間供本整合型計畫使用，另中正大學 (資 工系及電機系) 亦提供網際網路建置及視訊會議服務，故配合度十分良好。

5. 預期綜合效益：

本計劃各個子計畫的重點均在於家用資訊網路中多媒體處理與通訊之核 心技術研究，雖然目前各個子計畫的內容都有一些現有的技術，但各有其缺 點，而且各種技術都是各自獨立存在，缺乏有效的系統整合，因此目前並沒 有一個有效的家用資訊網路之整合多媒體傳輸、儲存、及管理系統。各種現 有的技術有如下的缺點： (1) 現有的視訊串流方法對於不同的資訊家電的串流效果不佳。 (2) 現有的視訊轉換方法通常速度不夠快(不能 real-time)或效果不佳。 (3) 現有錯誤隱蔽方法通常效果不甚理想或方法太複雜。 (4) 現有的錯誤回復視訊編碼通常需要增加頻寬或需要 feedback 頻道。

(5) 現有的無線網路頻寬分配方法(如 乙太網路 EBE scheme)有捕獲效應， 頻道使用常對用戶不公平。 (6) 現有的多媒體內容特徵抽取及管理仍沒有一套非常有效的整合方法。 (7) 現有的視訊監視使用的技術仍難有滿意的監視效果，另現有的視訊內容 之分析、儲存、傳輸方法亦有一些缺點。 在本整合型計畫之各子計畫，將在三年中針對現有方法的缺點提出新的方 法，以期能改善進現有方法的缺點。另外現有的方法大都是獨立的方法，欠 缺有系統的整合，再此我們將藉由本整合型計畫實現一個具有優良環境的家 用資訊網路系統。我們期望在第一年計畫執行後，可以完成家用資訊網路多 媒體系統主要核心技術之實現、評估及改進，在第二年後將可以實現一個簡 單的雛形家用資訊網路多媒體系統，往後再繼續改善並增強其功能。我們並 期望本整合型計畫完成後，能將相關技術移轉給國內的學術界、研發單位、 或相關的廠商。 本整合型計畫之各子計畫每年的研究成果將可發表於國際性期刊、會議論 文，以期提高我國在相關領域的學術地位及聲望，部分成果亦可申請專利。 另外參與本整合型計畫及各子計畫人員將可獲取家用資訊網路、多媒體處理 與通訊、視訊串流與轉換、錯誤回復視訊編碼及錯誤隱蔽、無線網路頻寬分 配之多重接取機制、音/視訊內容特徵分析及其應用、視訊監視等相關知識及 研發能力，更可受到各種多媒體伺服器、多媒體工作站、PC、數位相機、雷 射印表機、光碟燒錄機、多媒體處理與通訊軟體、… 等相關軟硬體的使用經 驗。

五、研究人力費：

1.類別/級別欄請依專任助理(含碩士、學士、三專、五(二)專及高中職)、兼任助 理(含博士生、碩士生、大專學生、講師及助教)及臨時工等填寫。 2.博士班研究生獎助金、碩士班研究生及大專學生研究助學金自 90 年 8 月 1 日 起改按獎助單元申請，每單元為新台幣 2,000 元。博士生每名每月至多申請 14 個獎助單元，碩士生每名每月至多申請 4 個獎助單元，大專學生每名每月 至多申請 2 個獎助單元。 3.本會九十年碩士論文獎或大專學生研究創作獎之獲獎人，於本會公布獲獎之 日起三年內就讀國內公私立大專校院博士班或碩士班，並參與本計畫研究工 作，申請每月研究助學金 28,000 元及 10,000 元部分請務必於級別或姓名欄填 列姓名，並檢附得獎證明影本及學生證正反面影本，以利審核。 4.申請專任助理者，除依工作月數填列工作酬金外，須另填列投保勞保及健保 之「雇主應負擔之勞、健保費」。 5.請分年列述。 金額單位： 新台幣元 （一）專任助理、講師及助教級兼任助理、臨時工資 類別/級別 人數 姓 名 工作_月數 月支酬金 小計 請述明：1.最高學歷 2.曾擔任 專題研究計畫專任助理之經歷 3.在本計畫內擔任之具體工作 性質、項目及範圍 合 計（一） （二）博士班研究生、碩士班研究生及大專學生兼任助理 級別或姓名 人數 （1） 每 人 每 月 單元數(2) 獎 助 月 數(3) 小計(4)＝ ＄2000×(1)×(2)× (3) 在 本 研 究 計 畫 內 擔 任 之 具 體 工 作 性 質 、 項 目 及 範 圍 兼任碩士助理 2 3 12 144,000 媒體接取控制及頻道分配演算 法研究。

兼任碩士助理 2 3 12 144,000 Slotted Aloha 系統和 Back-off Scheme 模擬程式撰寫、執行。 兼任碩士助理 1 3 12 72,000 平均延遲、Standard Deviation

及 Throughput 結果分析。

（一）專任助理、講師及助教級兼任助理、臨時工資 類別/級別 人數 姓 名 工作_月數 月支酬金 小計 請述明：1.最高學歷 2.曾擔任 專題研究計畫專任助理之經歷 3.在本計畫內擔任之具體工作 性質、項目及範圍 合 計（一） （二）博士班研究生、碩士班研究生及大專學生兼任助理 級別或姓名 人數 （1） 每 人 每 月 單元數(2) 獎 助 月 數(3) 小計(4)＝ ＄2000×(1)×(2)× (3) 在 本 研 究 計 畫 內 擔 任 之 具 體 工 作 性 質 、 項 目 及 範 圍 兼任碩士助理 2 3 12 144,000 資料傳送模型(語音、視訊會 議、WWW)及演算法研究。 兼任碩士助理 2 3 12 144,000 “需求分配”型式媒體接取控 制層模擬程式撰寫、執行。 兼任碩士助理 1 3 12 72,000 結果及架構分析和改進。 合 計（二） 360,000 總計（三）＝合計（一）＋合計（二）360,000 ( 第二年 )

（一）專任助理、講師及助教級兼任助理、臨時工資 類別/級別 人數 姓 名 工作_月數 月支酬金 小計 請述明：1.最高學歷 2.曾擔任 專題研究計畫專任助理之經歷 3.在本計畫內擔任之具體工作 性質、項目及範圍 合 計（一） （二）博士班研究生、碩士班研究生及大專學生兼任助理 級別或姓名 人數 （1） 每 人 每 月 單元數(2) 獎 助 月 數(3) 小計(4)＝ ＄2000×(1)×(2)× (3) 在 本 研 究 計 畫 內 擔 任 之 具 體 工 作 性 質 、 項 目 及 範 圍 兼任碩士助理 2 3 12 144,000 “需求分配”型式媒體接取控 制層架構及演算法研究。 兼任碩士助理 2 3 12 144,000 “需求分配”型式媒體接取控 制層架構模擬程式撰寫、執行。 兼任碩士助理 1 3 12 72,000 結果及架構分析和改進。 合 計（二） 360,000 總計（三）＝合計（一）＋合計（二）360,000 ( 第三年 )

六、研究設備費：

1.類別分為儀器、圖書、資訊軟硬體等。 2.設備名稱欄內請填寫儀器、資訊軟硬體或書籍雜誌期刊等之中文/英文名稱。 3.說明欄內請詳細填寫設備之規格、製造廠商、型號及用途，以利審查，若為 圖書設備，則於說明欄內填寫作者姓名、出版社及出版日期。 4.購置設備單價在新臺幣二十萬元以上者，須檢附估價單。 5.若申請機構及其他機構有提供配合款，請務必註明提供配合款之機構及金 額。 6.儀器設備單價超過六十萬元(含)以上者，請詳述本項設備之規格與功能(諸如 靈敏度、精確度… 等)，其他重要特性與重要附件，以及申購本設備對計畫 執行之必要性。本項設備若獲補助，主持人應負維護保養之責，並且在不妨 礙個人研究計畫或研究群計畫之工作下，同意提供他人共同使用，以避免設 備閒置。 7.請分年列述。 金額單位：新 台幣元 經費來源 類 別 設備名稱 (中文/英文) 說 明 數量 單 價 金 額 本會補助 經費需求 提供配合款之機 構名稱及金額 資訊軟 硬體 個人電腦 INTEL P4, 1.6GHz, 128MB 電腦程式之發展及數 值模擬之執行 2 50,000 100,000 100,000 0 Notebook PC 電腦程式之發展及數 值模擬之執行 1 75,000 75,000 75,000 0 雷射印表機 HP LaserJet 2200DTN 程式及圖形列印 1 50,000 50,000 50,000 0 MATLAB 程式編譯軟體 1 20,000 20,000 20,000 0 光碟燒錄器 模擬程式及資料備份 1 10,000 10,000 10,000 0 合 計 255,000 (第一年)

經費來源 類 別 設備名稱 (中文/英文) 說 明 數量 單 價 金 額 本會補助 經費需求 提供配合款之機 構名稱及金額 資訊軟 硬體 伺服器工作平台 IBM xSeries 330/8654-1Y PIII 1GHz 256MB, 2*PCI 電腦程式之發展及數 值模擬之執行 1 146,000 146,000 146,000 0 個人電腦 INTEL P4, 1.6GHz, 128MB 電腦程式之發展及數 值模擬之執行 1 50,000 50,000 50,000 0 Microsoft VISUAL C++ Pro V6.0 CD W9X/NT 程式編譯軟體 1 20,000 20,000 20,000 0 合 計 216,000 (第二年)

經費來源 類 別 設備名稱 (中文/英文) 說 明 數量 單 價 金 額 本會補助 經費需求 提供配合款之機 構名稱及金額 資訊軟 硬體 個人電腦 Notebook PC 電腦程式之發展及數 值模擬之執行 1 75,000 75,000 75,000 0 高容量硬碟 模擬程式及資料儲存 2 15,000 30,000 30,000 0 合 計 105,000 (第三年)

八、出席國際學術會議差旅費：

1.限主持人及計畫內博士班研究生申請。 2.請詳述預定參加國際學術會議之性質、預估經費、天數及地點。 3.請詳述申請人近三年參加國外舉辦之國際學術會議論文之發表情形。（包括會 議名稱、時間、地點、發表之論文題目、補助機構，及後續收錄於期刊或專 書之名稱、卷號、頁數、出版日期） 4.請分年列述。

申請人 : 李志鵬

會議名稱 : IEEE Vehicular Technologies Conference (VTC-2002)

VTC 為 IEEE 專為無線通訊所舉辦的一個盛會，每年兩次，每次約有近兩千 個國際相關領域學者及專家會聚集在此，發表最新之研究成果及交換心得，對 瞭解國際最新技術發展趨勢有很大之幫助，本人並曾有論文在一九九八年在此 會議發表。國內也有好幾組學校教授與學生人員每年固定出席。 會議時間與地點 : 2002 年 9 月 24~29 日，在加拿大溫哥華(Vancouver)舉行。 預估經費 : 共約 101,000 元，包括：來回機票費 (38,000 元)、註冊費 15,000 元、當地交 通及生活費 (6 天，48,000 元) 申請人 : 李志鵬

會議名稱 : IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM-2003)

GLOBECOM 為由國際電機電子工程師學會的通訊協會主辦的研討會。此會議 每年舉辦一次，會議內容包含了有線及無線通訊相關技術，每年匯集約一千五 百名學者專家與會，彼此交流相關之最新研究成果。本人曾在 1996 年在此會 議上發表論文，成效良好，國內每年均有為數不少的教授或研究人員投稿並出 席發表論文。台灣並將於 2002 年 11 月 18-22 日在台北世貿舉辦此一國際會議。 會議時間與地點 : 2003 年 12 月 1~6 日，在美國舊金山(San Francisco)舉行。 預估經費 : 共約 101,000 元，包括：來回機票費 (38,000 元)、註冊費 15,000 元、當地交 通及生活費 (6 天，48,000 元) 申請人 : 李志鵬

會議名稱 : IEEE VTC, GLOBECOM, PIMRC, ICC, ICUPC, or MILCOM. IEEE 尚未決定會議時間與地點。

會議時間與地點 : 2004 年 月 日，在 舉行。

預估經費 : 共約 100,000 元，包括：來回機票費 (元)、註冊費 15,000 元、當地交通及生 活費 ( 天，元)

九、其他研究有關費用：

1.凡與本研究計畫之執行直接有關之費用如消耗性器材及藥品費、電腦使用 費、問卷調查費、郵電費、國內差旅費、印刷費、資料檢索費、論文發表費 (限國科會補助計畫之成果)、意外險之保險費等，均可填入本表內。 2.說明欄請就該項目之規格、用途等相關資料詳細填寫，以利審查。 3. 若申請單位有配合款，請於備註欄註明。 4.請分年列述。 金額單位： 新台幣元 項 目 名 稱 說 明 單位 數量 單 價 金額 備 註 印刷費 影印論文與技術資料 批 1 15,000 15,000 郵電費 學術聯絡與研討 批 1 20,000 20,000 國內差旅費 蒐集資料與參加研討會 批 1 25,000 25,000 雜費 文具 批 1 6,000 6,000 消耗性器材及藥品費 雷射印表機碳粉匣 組 4 4,000 16,000 消耗性器材及藥品費 噴墨印表機墨水匣 組 5 800 4,000 消耗性器材及藥品費 A4 紙 箱 3 1,200 3,600 消耗性器材及藥品費 磁碟片, 光碟片 盒 5 700 3,500 儀器修理費 現有儀器維修 批 1 10,000 10,000 論文發表費 論文發表 批 1 25,000 25,000 合 計 128,100 (第一年)

項 目 名 稱 說 明 單位 數量 單 價 金額 備 註 印刷費 影印論文與技術資料 批 1 15,000 15,000 郵電費 學術聯絡與研討 批 1 20,000 20,000 國內差旅費 蒐集資料與參加研討會 批 1 25,000 25,000 雜費 文具 批 1 6,000 6,000 消耗性器材及藥品費 雷射印表機碳粉匣 組 4 4,000 16,000 消耗性器材及藥品費 噴墨印表機墨水匣 組 5 800 4,000 消耗性器材及藥品費 A4 紙 箱 3 1,200 3,600 消耗性器材及藥品費 磁碟片, 光碟片 盒 5 700 3,500 儀器修理費 現有儀器維修 批 1 10,000 10,000 論文發表費 論文發表 批 1 25,000 25,000 合 計 128,100 (第二年)

項 目 名 稱 說 明 單位 數量 單 價 金額 備 註 印刷費 影印論文與技術資料 批 1 15,000 15,000 郵電費 學術聯絡與研討 批 1 20,000 20,000 國內差旅費 蒐集資料與參加研討會 批 1 25,000 25,000 雜費 文具 批 1 6,000 6,000 消耗性器材及藥品費 雷射印表機碳粉匣 組 4 4,000 16,000 消耗性器材及藥品費 噴墨印表機墨水匣 組 5 800 4,000 消耗性器材及藥品費 A4 紙 箱 3 1,200 3,600 消耗性器材及藥品費 磁碟片, 光碟片 盒 5 700 3,500 儀器修理費 現有儀器維修 批 1 10,000 10,000 論文發表費 論文發表 批 1 25,000 25,000 合 計 128,100 (第三年)

第 27 頁，共 43 頁

十一、研究計畫中英文摘要：

請就本計畫要點作一概述，並依本計畫性質 自訂關鍵詞。 （一）計畫中文摘要。（五百字以內） 關鍵詞： 無線通訊網路，媒體接取控制，捕獲效應，頻寬配置，服務品質控制。 計畫摘要： 在寬頻網路接取技術的研究重點之一，是如何整合語音、資料、及影像等多媒體傳輸。 隨著個人通訊在可攜式設備上的蓬勃發展，無線接取技術已經變成一個重要的議題。因此 下一代無線通訊網路，必須要能提供多媒體傳輸所須之各種不同服務品質的要求，這包括 了固定傳送速率，可變傳送速率，和有效傳送速率等各種不同的要求。這當中最主要的挑 戰，是來自無線網路中的媒體接取控制技術。 媒體接取控制技術的主要類別之一，是隨機接取技術。這技術是採用封包競爭的機制 來容納眾多的用戶，這當中最有名的就是 Slotted ALOHA 和 CSMA (carrier sense multiple access) 。另一類媒體接取控制技術，是所謂的“需求分配 ”形式。用戶在使用頻道之前，

先按照需求預約頻寬，預約通常是在競爭的時段中進行，所以碰撞是可能發生的。這兩種 媒體接取控制技術，都需要碰撞解決機制或 back-off 機制來處理碰撞之後重傳的問題。

最常用的 back-off scheme， 是用在乙太網路的 Binary Exponential Back-off (BEB) Scheme， 因為它的原理和實行都最簡單。但是 BEB Scheme 會導致後到先服務的結果，一

個用戶如果有新的封包要送，或是上一次傳送已經成功，他便可以馬上傳送，傳送成功的 機會便大的多。如果一個用戶已經經歷過幾次碰撞，他便要在一個比較大的 back-off window 裏面，再任意選擇一個重傳的時機，因此他傳送成功的機會便小得多，這就是所謂的“捕 獲效應 ”。這效應導致了少數傳送成功的用戶，可以不斷的使用頻道，傳送失敗的用戶便 很難取得頻道。 在無線通訊網路中，通常有一個接取點(Access Point)或基地臺來控制所有用戶的傳 送。利用這個中央控制的機制，“捕獲效應 ”便可以獲得解決。本計劃預計以三年的時間， 發展出一個適合家用無線資訊網路傳送的媒體接取控制技術。在這個計劃的第一年中，我 們便預計提出幾個改善 BEB Scheme 捕獲效應的方法。我們所提出的方法，不但可以用在 Slotted ALOHA 之類的數據網路之內，也可以用在“需求分配 ”形 式網路競爭時段的碰撞 解決；在本計劃的第二年中，我們將把所提出的方法，應用在競爭時段的碰撞解決，以分

們便預計提出幾個改善 BEB Scheme 捕獲效應的方法。我們所提出的方法，不但可以用在 Slotted ALOHA 之類的數據網路之內，也可以用在“需求分配 ”形 式網路競爭時段的碰撞 解決；在本計劃的第二年中，我們將把所提出的方法，應用在競爭時段的碰撞解決，以分 析其對各種不同資料傳送上所造成的效應；計劃的第三年，我們預計利用所提出 Back-off 機制的特性，發展出一個新的媒體接取控制層架構，除了頻道可以公平的分配給用戶之外， 各種不同應用，也可以得到他們所需要的服務品質要求。

（二）計畫英文摘要。（五百字以內）

Key Words: Wireless Communications, MAC, Back-off Scheme, Binary Exponential Back-off, Capture Effect, Bandwidth Allocation, Quality of Service.

Abstract:

One of the primary foci of today’s broadband network access technology is on the efficient

integration of multimedia traffic such as voice, data, and video. With the proliferation of

personal communication service provided to multimedia portable devices, wireless access has

emerged as a significant issue. As a result, the next-generation wireless networks capable of

supporting integrated multimedia services are required to provide a variety of quality-of-service

(QoS) requirements, which include constant bit rate (CBR), variable bit rate (VBR), and available

bit rate (ABR). The major challenge pertaining to such wireless networks is the design of

medium access control (MAC) scheme.

One of the major categories of MAC schemes is random access type, which adopts packet

contention techniques, such as Slotted ALOHA and CSMA (carrier sense multiple access), to

accommodate a large number of users, each with a low average data rate and high peak rate.

Another category of MAC schemes is demand-assignment type, in which users make bandwidth

reservation when they need it. The bandwidth reservation is usually made within the contention

period and collision is possible to occur. Both of these two MAC schemes rely on collision

resolution or back-off algorithms when collision occurs.

Perhaps the most widely adopted back-off scheme is the binary exponential back-off (BEB)

algorithm because of its simplicity. However, one result of the BEB algorithm is

last-come-first-serve among competing users. A user with a new packet arriving at the head of

queue has a much higher probability of acquiring the medium (because the back-off window size

is equal to one) than those users that have already experienced couple of collisions (back-off

window size is large). This result leads to the “capture effect” that allows a single or a few

“winning” users to dominate the available bandwidth.

In wireless communication networks, an access point (AP) or a base station is usually

adopted as a central point to control several wireless/mobile devices. Taking the advantage of

this centralized device, the capture effect can be solved. In this three-year project, we plan to

develop a novel MAC architecture suitable for wireless home networking environment. In the

first year, we will propose several novel back-off schemes to improve the drawback in the BEB

algorithm. The proposed schemes can be implemented directly to Slotted ALOHA type data

access network. They can also be applied in the contention period of the demand-assignment

protocols. In the second year, we would like to apply the proposed schemes in the contention

period of demand-assignment type MAC scheme, and a variety of data transmission, which

includes voice, video conference, and WWW data, will be adopted in the data channel to analyze

the proposed back-off schemes. In the third year, a novel MAC architecture will be designed.

From the newly proposed MAC architecture, in addition to sharing the bandwidth fairly among

十二、研究計畫內容：

（一）近五年內主要研究成果說明。 （二）研究計畫之背景及目的。請詳述本研究計畫之背景、目的、重要性及國內 外有關本計畫之研究情況、重要參考文獻之評述等。本計畫如為整合型研 究計畫之子計畫，請就以上各點分別述明與其他子計畫之相關性。 （三）研究方法、進行步驟及執行進度。請分年列述：1.本計畫採用之研究方法 與原因。2.預計可能遭遇之困難及解決途徑。3.重要儀器之配合使用情形。 4.如為整合型研究計畫，請就以上各點分別說明與其他子計畫之相關性。 5.如為須赴國外或大陸地區研究，請詳述其必要性以及預期成果等。 （四）預期完成之工作項目及成果。請分年列述：1.預期完成之工作項目。2.對 於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻。3.對於參與之工作人 員，預期可獲之訓練。4.本計畫如為整合型研究計畫之子計畫，請就以上 各點分別說明與其他子計畫之相關性。 (一) 近五年內主要研究成果說明 本人於八十七年一月獲得電機博士學位，主要功讀的領域包括無線通訊網 路、數位通訊、及電腦網路。博士班期間專注於無線通訊網路中 Macrodiversity 的研究，主要成果除發表於 IEEE/IEE 學術期刊和 IEEE 國際研討會(VTC, GLOBECOM, MILCOM, ICC, PIMRC, ...etc.)之外，也已經獲得美國專利。

博士班畢業之後，隨即於八十七年一月進入美國朗訊公司無線網路實驗室 (Wireless Networking Laboratories, Lucent Technologies, Whippay, NJ, USA)服務，

參加前瞻技術中心無線網際網路計畫( Wireless Internet Access System)，主要負責 媒 體 接 取 控 制 層 (MAC Layer) 架 構 設 計 、 系 統 容 量 模 擬 、 Radio Resource Management、Power Control、系統測試及驗證，成果除了撰寫了數篇技術文獻

(Lucent Technical Memorandum)之外，並在媒體接取控制層的 Back-off Scheme 申

請了三個美國專利。

八十九年九月返國服務後，加入明碁電通集團的達宙通訊系統公司，從事 第三代無線通訊系統 WCDMA 基地台的開發，除了從事基頻 RACH Preamble Detection 的演算法及硬體架構 (FPGA) 設計開發、WCDMA 系統容量分析與模

擬之外，並擔任 Node B 硬體系統架構會議的主席，及負責所有基頻與 Radio Resource Management 演算法的規劃，不但對 WCDMA 的實體層 (Physical Layer)

(二) 研究計畫之背景及目的 隨著個人通訊在可攜式設備上的蓬勃發展，無線接取技術已經變成一個重要 的議題。語音、資料、及影像等多媒體傳輸的整合，更使得用戶對無線快速上網 與大量接收、傳輸資料等需求的渴望越來越殷切。因此下一代無線通訊網路，必 須要能提供多媒體傳輸所須之各種不同服務品質的要求，這包括了固定傳送速率 (CBR)，可變傳送速率(VBR)，和有效傳送速率(ABR)等各種不同的要求。 在無線通訊網路的研究裏，有數種多重接取標準曾被提出[1,2,3]。第一種是 固定指派式 (fixed-assignment)，此種方法，頻道是被事先指定分配好，最常見的 就是 TDMA (Time Division Multiple Access) 和 FDMA (Frequency Division Multiple Access)。這種形式的接取標準，被大量應用在第二代行動通訊系統上，

例如歐規的 GSM 和美規的 IS-54/136， 但是這種多重接取方式，對瞬間大量的 資料傳送，在 頻 使 用 上 非

常 的

不 具效率。

第二種多重接取方式為多工分碼 CDMA (Code Division Multiple Access) ，

多工分碼被採用在第二代的 IS-95，和第三代行動通訊系統的許多標準中。多工

分碼是展頻通訊的特殊運用[4] ，一般來說，展頻通訊主要分為下列三項技術：(I) Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS); (II) Frequency-Hopping Spread Spectrum

(FHSS); (III) Time-Hopped Spread Spectrum (THSS)。

第三種多重接取控制技術，是隨機接取技術。這技術是採用封包競爭的機 制，來容納眾多的用戶，這當中最有名的就是 Slotted ALOHA 和 CSMA (carrier sense multiple access)。隨機接取技術被廣泛使用在許多標準之中，最常見的有

IEEE 802.3 CSMA/CD (collision detection) ， 和 IEEE 802.11 CSMA/CA (collision

avoidance)。這種隨機接取技術，並不需要一個中央控制的機制來統合傳輸，但

第四種多重接取技術，是所謂的“需求分配”(demand-assignment)形式，這種 接取技術，是當用戶需要頻寬時，它才向一個中央控制單位預約頻寬，預約的方 式是透過所謂的媒體接取控制技術 MAC (Medium Access Control )來達成。

文獻中對媒體接取控制技術的討論非常多，最有名的是“封包預約多重接 取 ”Packet Reservation Multiple Access (PRMA) [5,6,7,8,9] ， 此 一 技 術 和 Reservation ALOHA (R-ALOHA) [10] 很類似。“封包預約多重接取”技 術曾被

歐洲採用為第三代行動通訊系統中重要的接取技術之一[11] ， 在許多不同的應 用中，“封包預約多重接取 ”技 術 也 被適 當的修改以滿足不同應用的需求 [12,13]。

另一類媒體接取控制技術，是所謂的 Distributed Queuing Request Update Multiple Access (DQRUMA) [14,15]。這一類技術的頻寬獲，得是透過 Requesting

Access Channel (RA Channel) 來達成，任何的隨機接取機制，都可以用在 RA

Channel。此外，基地台或接取點也需要一個對上行方向頻寬規劃的機制。

第三類媒體接取控制技術，是資源分配多重接取技術 Resource Assignment Multiple Access (RAMA) [16,17,18] 。RAMA 在競爭的時段中，採用了十個數字

的識別碼，這技術可以視為二次元倒數 (Binary Countdown) ，或 M 次元倒數 (M-ary Countdown) 技 術 的 延 伸 ， 二 次 元 倒 數 技 術 曾 被 應 用 在 AT&T 的

DATAKIT 系統之中。有一種 RAMA 延伸出來的技術，稱為數狀索引資源分配

多重接取技術 Tree-Search RAMA (TRAMA) ， 詳細內容可以參考[19]。

除了以上所描述的媒體接取控制技術之外，還有許多相關的技術，比如 Random Addressed Polling (RAP) [20] 就曾被提到 IEEE 802.11 ，RAP 所延伸出

來的 Group Randomly Addressed Polling 在[21] 中有詳細討論；此外 Wireless ATM 的各種相關媒體接取控制技術在[1,22,23]有詳細的討論和比較；傳統上大家

很多以上所提到的媒體接取控制技術，都需要靠碰撞解決機制 (Collision

Resolution) ，來解除在資料傳送、或頻道預約中，所產生的碰撞問題。這便是所 謂的 Back-off 機制。文獻中討論的 Back-off 機制，主要分為三類：(I) Splitting

Algorithm, also known as Tree Algorithm [26,27,28]; (II) Adaptive p-persistence Algorithm [29,30,31,32]; (III) Binary Exponential Back-off (BEB) Algorithm。

在 這 三類 之 中最 常 用的 back-off 機制， 便是用 在乙 太網路 的 Binary Exponential Back-off (BEB) Scheme， 因為它的原理和實行都最簡單。但是 BEB

Scheme 會導致後到先服務的結果，一個用戶如果有新的封包要送，或是上一次 傳送已經成功，他便可以馬上傳送，傳送成功的機會便大的多。如果一個用戶已 經經歷過幾次碰撞，他便要在一個比較大的 back-off window 裏面，再任意選擇 一個重傳的時機，因此他傳送成功的機會便小得多，這就是所謂的“捕獲效應 ” [33,34]。這效應導致了少數傳送成功的用戶，可以不斷的使用頻道，傳送失敗的 用戶便很難取得頻道。[35,36]中對乙太網路的“捕獲效應 ”提出了一些解決方 案，本人在美國服務於朗訊科技 (Lucent Technologies, Whippany, NJ, USA) 的無 線通訊網路部門(Wireless Networking Laboratories)期間，也提出了一個增進 BEB 機制效率的方法[37]。

使用在乙太網路的 Binary Exponential Back-off (BEB) 機制，是一個分散式 的系統。在一般的無線通訊網路中，通常都有一個中央控制點 (基地台或接取 點) ， 利用中央廣播的方式，各個用戶之間可以達到某種程度的同步，“捕獲 效應”便可以得到相當的改善[38,39] ，這也是本計劃所將研究的重點。

在以太網路中，Binary Exponential Back-off (BEB) 機制是用來解決資料傳 送時所發生的碰撞，在“需求分配” (demand-assignment) 的媒體接取控制形式 中，資料的傳送是透過一個中央控制單位來做統一的規劃與安排，資料的傳送並 沒有碰撞的問題，但是在做頻寬預約時，仍可能發生碰撞。我們將把所提出新的 Back-off 機制，應用在頻寬預約時所發生的碰撞，並將在資料傳送頻道中，模擬

各種不同的資料傳輸，包括語音[40]、視訊會議[41]、和 WWW [42,43,44]，以驗 證其效應。

進幾年來，由於無線資料傳輸技術的盛行，已經有許多無線區域網路 ( Wireless LAN )媒體接取控制技術的研究[45,46,47]，Wireless ATM [48,49,50,51]

和無線家庭網路 ( Wireless Home Network) [52,53,54,55] 的媒體接取控制技術方 面，同樣的也有許多文獻討論。我們預計將在本計劃中，利用我們在頻寬競爭時 段所提出的 Back-off 機制的特性，設計出一個新的媒體接取控制層架構，以適合 家用無線網路上多媒體的傳送[56,57,58]，除了頻道可以公平的分配給用戶、解 決傳統以太網路中 BEB 機制的不穩定之外，各種不同應用，也可以得到他們所 需要的服務品質要求。 參考文獻

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（三）研究方法、進行步驟及執行進度 1. 本計畫採用之研究方法與原因 本計畫在第 1 年期間 ( 91 年 8 月 1 日起至 92 年 7 月 31 日止)，預定進行如下 之研究： 首先，我們所標定研究的系統架構如圖一所示： 圖一、系統架構

系統的接取點 (Access Point, AP) ， 藉由 Beacon Message 來傳送系統的廣 播訊息，下行方向的資料則由 Downlink 的 Payload 來傳送，並由接取點來統合 安排所有傳送的順序。在上行的方向，因為是許多用戶共同分享頻寬，彼此有競 爭的關係，用戶在傳送資料前，必須要先經由 Reservation Slots 做頻寬的預約，

Beacon

_Payload

Beacon

_Payload

Downlin

k

Uplink

Payload

Payload

Reservation Slots Reservation Slots

System Information Broadcasting

System Information Broadcasting

接取點收到預約後，再由 Beacon Message 告知用戶在上行 (Uplink) 的 Payload 中傳送。當然當用戶在經由 Reservation Slots 做頻寬的預約時，碰撞是不可避免 發生的，如何來重送頻寬的預約，使得用戶可以公平的分享資源，是本計劃研究 的重點。 本 計 畫 之 主 要 構 想 ， 是 基 於 本 人 在 美 國 服 務 於 朗 訊 科 技 (Lucent Technologies) 的無線通訊網路部門期間，所發現的兩個與 throughput 相關的特 性。我們希望應用此兩個特性，來發展出符合多媒體在無線通訊網路的媒體接取 控制技術，使頻道可以公平的分享。以下我們便先描述並證明這兩個性質。

首先，我們了解到傳統乙太網路 Binary Exponential Back-off Scheme 所造成 的捕獲效應 (Capture Effect) ， 是因為各個用戶間 Back-off Window 大小不一所 造成。在無線通訊網路中，我們有一個中央控制的接取點，可以利用廣播之方式， 使各個用戶的 Back-off Window 大小一致，我們所遭遇的第一個問題，便在於 Back-off Window 要設為多少才能使 throughput 達到最大？

我們首先假設系統中有 N 個用戶，接取點廣播出來的 Back-off Window 大 小為 W， 因為每個用戶將會在 1 和 W 之間，隨機任取一個值來選定一個 Reservation Slot 傳 送 ， 因 此 在 W 個 Reservation Slots 中 ， 選 中 某 一 個

Reservation Slot 的機會是 p = 1/W。由此我們可以得知某一個 Reservation Slot

完全沒有用戶選中的機會是

P0 = ( 1 – p )N = Probability that no user picks a given reservation slot

一個用戶傳送成功的機率，也就等於某一個 Reservation Slot 只有一個用戶競 爭，這個機率就等於

P1 = N p ( 1 – p )N-1 = Probability that exact one user picks a given reservation

事實上，這個機率也就等於是系統的 throughput。 為了使系統的使用達到最佳 化，我們希望當系統有 N 個用戶時，接取點廣播之 Back-off Window size “W” ( p = 1/W) ，： 能使 P1達到最大值 W N W p N p p p N N p N dp dP N N = ∴ = = = − − − − = − − 1 1 0 ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( 1 2 1 Q

這也就是說，當 Back-off Window size 等於用戶數時 ( N = W ) ， 系統會達到最 大的 throughput，這是我們所發現的第一個性質，這個性質可以由圖二來表示。 我們注意到，當系統達到最大的 throughput 時 (N=W)，此時系統的 throughput 為 1 max 1 ) 1 1 ( ) ( = − N− N P 此外，當 N 趨近無限大時， (P1)max趨近於 1/e。

1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Window Size T h r o u g h p u t 2 Users 4 Users 8 Users 16 Users 32 Users 64 Users 128 Users 256 Users 512 Users 1024 Users e-1

圖二、不同用戶數下，Throughput 對 Back-off Window Size 之關係

由第一個性質，我們可以知道，當 Back-off Window size “W” 等於用戶數 目 N 時，系統的 throughput 會達到最佳化。然而我們並不知道系統內確實的用 戶數目，也因此接取點並不知道 Back-off Window “W”的大小。所以，我們需要 第二個性質來了解系統所處的狀態。 我們注意到，碰撞發生的機率，也就等於兩個或以上的用戶爭奪同一個 Reservation Slot，因此碰撞的機率也就等於 ) ) 1 ( 1 ( ) 1 ( 1 ) 1 ( ) 1 ( 1 1 P₀ P₁ p Np p 1 p 1 N p C = − − = − − N − − N− = − − N− + − 當系統 throughput 最大時， p = 1/N， 此時碰撞的機率為 Copt ) 1 2 ( ) 1 1 ( 1 1 N N Copt = − − N ⋅ − −

當 N=2 時， Copt=0.25，當 N 趨近無限大時 2624 . 0 2 1− ≈ → e Copt 我們可以注意到，當系統 throughput 最大時，Copt 幾乎是一個定值。換句 話說，當我們把系統的碰撞機率維持在 0.25 到 0.2624 之間時，系統 throughput 會 達到最大，這個性質可以在圖三中表示出來，圖中的四方形代表 N=W 系統 throughput 最大的操作點。這個性質的另一個重要意義，是當我們把系統的碰撞

機率維持在 0.25 到 0.2624 之間時，接取點所廣播之 Back-off Window size “W” ， 也就等於是系統中用戶數目的預估值，利用這個資訊，系統可以更有效的來做資 源管理。 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Window Size S l o t C o l l i s i o n R a t e U= 2 U= 4 U= 8 U= 16 U= 32 U= 64 U= 128 U= 256 U= 512 U=1024 1-2e-1

圖三、不同用戶數目下，Window Size 對 Slot Collision Rate 之影響 ( 圖中之“口”代表系統在 Throughput 最大時之 Collision Rate )

在這個計劃的第一年中，我們便希望基於以上我所發現的兩個性質，提出新 的媒體接取控制技術，以改善 BEB Scheme 捕獲效應的方法，除了頻道可以公 平的分配給用戶之外，各種不同應用也可以得到他們所需的服務品質要求。我們 所提出的方法，不但可以用在 Slotted ALOHA 之類的數據網路之內，也可以用 在“需求分配 ”形式網路競爭時段的碰撞解決。我們將首先在 Slotted ALOHA 的系統中做驗證，資料傳送的模型，將採用傳統的 Poisson Arrival。 本計畫在第 2 年期間 ( 92 年 8 月 1 日起至 93 年 7 月 31 日止)，預定進行如下 之研究： 我們計劃的目標，是希望利用圖一的系統概念，提出一個“需求分配 ” (demand-assignment) 式的媒體接取控制技術的新架構。因此，在計劃的第二年，

我們希望把所提出新的 Back-off 機制，應用在如圖一 Reservation Slots 的碰撞 解決機制之上，並分析其在各種不同的資料傳送上，所造成的效應。我們預計要 探討資料形式，包括語言，視訊會議，和 WWW，這些資料的模型將分述如下： 語音模型

語音通常用二階的 Markov Chain 來模擬，如圖四所示，系統會在開(On)關(Off) 之間交換，相當於講話和靜止的時刻，開和關的時間長度是遵循 Exponential 分 佈，平均值為開的時候是 á-1

=1.35 秒，關的時候為 â-1=1.0 秒。

視訊會議

視訊會議可以用圖五所示的 Markov Chain 來模擬，詳細內容可參考 D. Heyman, T. V. Lakshman, A. Tabatabai, and H. Heeke, “Modeling Teleconference Traffic from

VBR Video Coders,” International Conference on Communication ’94, Vol. 3, pp.

1744-1748, 1994.

圖五、視訊之 Markov Chain 模型

WWW

圖六、WWW 封包傳送模型 Nps，Tp，Tb，和 Nb，我們一般是用幾何分佈來模擬。一個幾何分佈的隨機 亂數 x，如果它的平均值是 m，我們把它定義為：

{

}

k p p k x P = = ⋅(1− ) k=0,1,2,... m p + = 1 1

封包 的大 小 (Sp) 通 常 是 用 Pareto 分 佈 來 模 擬 它 的 Probability Density

Function (PDF) ，Pareto 分佈的定義是： 1 ) ( = ⋅_α+ α α x k x fx α,k≥0,x≥k

它的 Cumulative Distribution Function (CDF) 被定義為：

α       − = x k x F_x( ) 1 x≥k

Inter-arrival time between packets within a packet burst (Tp)

Time Number of packet bursts per session (Nps)

Inter-arrival time between packet bursts (Tb)

Number of packets in a packet burst (Nb)

Size of a packet (Sp)

平均封包的長度可經由計算得到： 1 − ⋅ = α α µx k α >1 本計畫在第 3 年期間 ( 93 年 8 月 1 日起至 94 年 7 月 31 日止)，預定進行如下之 研究： 在計劃的第三年，我們準備利用所提出新的媒體接取控制技術的特性，在 “需求分配 ”(demand-assignment)媒體接取控制技術的概念下，設計出一個新的 系統架構，使系統能隨用戶數目的不同，做彈性的調整，以提高頻寬的使用效率， 並滿足不同應用資料形態傳送上 QoS 的要求。 2. 預計可能遭遇之困難及解決途徑 此項計劃為一藉通訊系統程式模擬形式來做演算法設計的研究。目前可預 期的困難為大量的電腦運算時間。如能減少程式模擬時間，便能獲得更多時間作 理論的推導分析及演算法的改進。因此，如能得到補助而購買快速的個人電腦及 工作站，或是藉由多量的電腦及工作站來平行處理，將可大量縮減驗證演算法時 程式模擬所需時間。

（四）預期完成之工作項目及成果。請分年列述：1.預期完成之工作項目。2.對 於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻。3.對於參與之工作人 員，預期可獲之訓練。4.本計畫如為整合型研究計畫之子計畫，請就以上 各點分別說明與其他子計畫之相關性。 A. 預期完成之工作項目: 第一年 (FY91) (1) 收集相關論文及國際標準資料。 (2) 根據前文所描述之性質，參考相關文獻，提出新的 Back-off Scheme

演算法，以改進傳統 Binary Exponential Back-off Scheme 之缺點。 (3) Slotted Aloha 系統及 Poisson Data Arrival 模擬程式撰寫 ( 包含各種

不同 Back-off 機制 )。

(4) 分析及驗證所提 Back-off 機制的效益。

(5) 比較及分析種不同 Back-off 機制的優缺點。

第二年 (FY92)

(1) 把所提出新的 Back-off Scheme 演算法，應用在 Reservation Slots 之

上。

(2) 資料頻道 (Data Channel) 的傳送中，則分別用語音、視訊會議、

WWW 等不同的資料模型來模擬。

(3) 驗證所提出新的 Back-off Scheme 演算法在需求分配系統架構中所

產生的效應，及其對傳統 Binary Exponential Back-off Scheme 之改 進。

第三年 (FY93)

(1) 提出新的系統架構，以滿足各種不同資料傳送，及系統在不同用戶

(2) 驗證新的系統架構在家庭無線資訊網路的表現。 B. 具體成果： 此計劃是屬於無線通訊中，媒體接取控制技術方面的應用研究。此方面文獻 中已經有許多研究，在本計劃中，我們希望利用新發現的性質，發展出新的演算 法及架構，以有效解決在無線多媒體傳送的品質控制。預計的產出成果包括： (1) 本計畫預計在個人電腦上，利用 MS Visual C++ V6.0 平台上建立一套

完整的軟體模擬系統，包含 Reservation Scheme, Back-off Scheme 及 各種不同的資料形態之傳送。

(2) 計劃成果將投稿至相關國際知名期刊及研討會(如 IEEE VTC, ICC,

Globcom, PIMRC, Milcom )，並申請專利。

(3) 完成模擬軟體及技術研究報告，提供貴所參考，作為未來計畫規劃之 參考。 C. 對於參與之工作人員，預期可獲得之訓練: 無論是在無線行動通訊網路，或是有線區域網路，媒體接取控制 ( Medium Access Control ) 都是不可或缺的一環，並且是傳送品質控制最為關鍵的技術。 參與此計劃的人員，除了可充分了解無線媒體接取技術之特性之外，還可以學習 到各種資料傳送的特性與模型，及無線傳輸環境之性質與模擬。此知識在將來在 無線多媒體通訊系統，特別是在無線區域網路、或無線家用多媒體傳輸系統之研 發，均扮演極為重要的角色。