IEEE 802.16e及時通訊頻道品質感知的最大傳輸單元調整機制

IEEE 802.16e 及時通訊頻道品質感知的最大傳輸單元調整機制

Channel-Quality-Aware Maximum Transmission Unit Adjustment for

Real-time Communication in IEEE 802.16e System

研 究 生：楊佳祥 Student：Chia-Hsiang Yang 指導教授：曾建超 Advisor：Chien-Chao Tseng 國 立 交 通 大 學 電機資訊學院 資訊學程 碩 士 論 文 A Thesis

Submitted to Degree Program of Electrical Engineering and Computer Science， College of Electrical Engineering and Computer Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

For the Degree of Master of Science

in

Computer Science December 2006

Hsinchu， Taiwan， Republic of China

IEEE 802.16e 及時通訊頻道品質感知的傳輸單元調整機制

學生：楊佳祥 指導教授：曾建超 教授 國立交通大學電機資訊學系﹙研究所﹚碩士班

摘 要

隨著科技越來越普及，人們對於網路的依賴也越來越深，從早期的窄 頻撥接，到現在的 xDSL 寬頻上網、光纖上網等，頻寬的成長似乎是無止 境的， 只因為人們總是有新的應用，把提升的頻寬作有效的應用。 無線網路技術的進步，讓網路的使用更方便。無線網路技術較為人知 的有紅外線、藍芽和 IEEE 802.11 無線區域網路等。而近期的 IEEE 802.16，很多國際大公司像北電，英特爾等，更把它視為網路電信產品的 明日之星。 和有線網路比起來，無線網路的環境較不穩定，也因此，無線網路實 際的頻寬使用率相較於有線網路低，在開發高頻寬技術的同時，有效的利 用現有的頻寬也是一項選擇。 本篇論文針對 IEEE 802.16e 系統提出了一套即時動態頻道相依的流量 分析方法，並利用分析結果，提出一套可以根據不同 Bit Error Rate (BER)， 動態改變 Protocol Data Unit (PDU) 的 Maximum Transmission Unit (MTU) 機制，以減少資料拋棄，並增加有效頻寬使用率。

如上面所述，藉由修改 MTU，可提高有效頻寬使用率，但修改 MTU 會衍生出另一個問題，那就是當 MTU 變小時，可能會增加資料傳輸的 Overhead (如 MAC header、Cyclic Redundancy Check 等) 的數量 ，進 而可能會造成部分資料延遲傳送。因此，本論文亦提出一個 Lazy MTU 調 整的方法，以避免因為修改 MTU 而產生的資料傳送延遲。

Channel-Quality-Aware Maximum Transmission Unit Adjustment for Real-time Communication in IEEE 802.16e System

Student：Chia-Hsiang Yang Advisor：Dr. Chien-Chao Tseng

Degree Program of Electrical Engineering Computer Science

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The advance of technologies has changed the way people access the Internet - from narrow band modem dialing to xDSL broadband access. This change stimulates more and more new applications, including multimedia audio/video services, and thus increases the demand of network bandwidth.

The development of wireless communication technologies makes it more convenient for people to network access anytime, anywhere, and even when moving. Several well-known wireless technologies, such as Bluetooth and IEEE 802.11 standard, have already been equipped with modern Internet or telecommunication products. Among them, IEEE 802.16 is the most promising wireless communication standard and is regarded as the most important technology for the next-generation wireless networks.

sensitive to the environmental interferences and is relatively unstable. Moreover, bandwidth utilization of a wireless network is considerably lower than that of a wired network. One intuitive way is to develop new wireless technologies with higher bandwidth. Alternatively, increasing the utilization of available bandwidth is also a good approach to extending the throughput of a wireless network.

In this thesis, we propose a Channel-Quality-Aware Maximum Transmission Unit (MTU) adjustment mechanism for real-time communication in IEEE 802.16e networks. The proposed method can dynamically adjust MTU of Protocol Data Units (PDUs) in accordance with the current Bit Error Rate a mobile station experienced. By decreasing the MTUs when BERs are high, a mobile station can help to reduce the packet loss ratios and thus increase the system throughput.

However, decreasing the size of MTUs may introduce extra framing overhead, such as MAC headers and Cyclic Redundancy Check codes. As a consequence, a mobile station may need an extra cycle to complete the transmission of the PDUs that the mobile station can transmit in one cycle before adjusting the size of MTUs. Therefore we also propose a Lazy MTU adjustment scheme to eliminate such delay. Performance results show that our proposal is very effective.

誌 謝

在此，感謝指導教授曾建超老師，指導我論文的方向及研究的方法， 更不厭其煩的糾正我論文表達方式及擷取論文精華的方法，雖然去年教授 遠在國外，但仍與我遠距離的討論論文相關技術，讓我非常感謝。 再來，感謝百忙之中特地撥空指導的許獻聰教授及曹孝櫟教授，二位 教授相繼的提出許多創新的想法供我參考，讓我有更寬廣的視野。 此外，我也要感謝實驗室的學長及同學，多次的協助與討論，給我很 多新興的想法。並且教導我實驗室研究方向，讓我能很快進入狀況，及早 從事研究。特別是黃貴笠學長，還放下手邊重要工作，熬夜教導、修改我 的論文，真的非常感謝。 最後，要感謝工研院的同事們，因為有他們的鼓勵和協助，讓我能快 速的完成此論文，在此對各位獻上由衷的感謝，謝謝大家的教導及鼓勵。

目 錄

摘 要

... I

ABSTRACT

... III

誌 謝

... V

目 錄

... VI

圖 目 錄

... VIII

表 目 錄

... IX

縮寫和縮略字說明

... X

第一章 緒論

... 1 1.1 研究動機 ... 1 1.2 研究目標 ... 2 1.3 章節介紹 ... 2

第二章 背景知識介紹

... 3 2.1 IEEE802.16E架構... 3 2.2 IEEE802.16E參考原型 ... 5 2.3 OFDMAFRAME架構 (TDD)... 7

2.3.1 OFDMA Time Relevance of DL-MAP and UL-MAP (TDD)... 10

2.4 MACPDU格式 ...11

2.4.1 MAC header

格式

... 13

2.4.2 MAC subheader

和

special payloads... 16

2.5 頻寬要求和配置機制... 18

第三章 系統架構與設計

... 20 3.1 系統架構 ... 20 3.2 系統設計 ... 22 3.2.1

最佳有效頻寬使用率的方法

... 22 3.2.2 Lazy MTU

調整方法

... 23

第四章 效能評估

... 31 4.1 固定MTU的頻寬使用率評估 ... 31 4.2 動態調整MTU... 32

第五章結論與未來工作

... 35

5.1 結論... 35

5.2 未來工作 ... 35

圖 目 錄

圖 2-1 IEEE 802.16E 架構 (PMP模式) ... 4

圖 2-2 IEEE 802.16E 架構 (MESH模式) ... 4

圖 2-3 IEEE 802.16E PROTOCOL LAYER... 6

圖 2-4 OFDMA FRAME FORMAT... 7

圖 2-5 TIMING OF DL/UL MAP DESIGN... 11

圖 2-6 MAC PDU格式 ... 11

圖 2-7 GENERIC MAC HEADER FORMAT ... 12

圖 2-8 MAC SIGNALING HEADER TYPE I FORMAT ... 12

圖 2-9 MAC SIGNALING HEADER TYPE II FORMAT ... 14

圖 2-10 頻寬要求與配置流程圖 ... 19

圖 3-1 系統架構 ... 20

圖 3-2 BANDWIDTH REQUEST/GRANT AND DATA TRANSMISSION FLOWCHART WITHOUT MTU MODIFY ... 25

圖 3-3 BANDWIDTH REQUEST/GRANT AND DATA TRANSMISSION FLOWCHART WITH MTU MODIFY ... 26

圖 3-4 資料傳輸分析圖 ... 28

圖 3-5 改良式BANDWIDTH REQUEST/GRANT AND DATA TRANSMISSION FLOWCHART... 29

圖 4-1 個別BER在不同的MTU下的頻寬使用率... 32

圖 4-2 最佳MTU ... 33

表 目 錄

表 2-1 OFDMA FRAME DURATION CODES ... 6

表 2-2 DL-MAP MESSAGE FORMAT ... 9

表 2-3 UL-MAP MESSAGE FORMAT ... 9

表 2-4 GMH TYPE ENCODINGS ... 14

表 2-5 TYPE FIELD ENCODINGS FOR MAC SIGNALING HEADER TYPE I ... 15

表 2-6 FEEDBACK TYPE AND FEEDBACK CONTENT ... 16

表 3-1 NEW UL/DL EXTENDED SUBHEADER TYPE... 22

縮寫和縮略字說明

BER Bit Error Rate

BS Base Station

BSN Block Sequence Number

CDMA Code Division Multiple Access

CI CRC Indicate

CID Connection Identifier

CINR Carrier-to-interference-and-noise Ratio

CPS Common Part Sublayer

CQICH Channel Quality Information Channel

CRC Cyclic Redundancy Check

CS Convergence Sublayer

EC Encryption Control

EKS Encryption Key Sequence

ertPS extended real-time Polling Service ESF Extended Subheader Field

FCH Frame Control Header

FDD Frequency Division Duplex or Duplexing

FSN Fragment Sequence Number

GMH Generic MAC Header

HCS Header Check Sequence

HT Header Type

IE Information Element

MIMO Multiple Input Multiple Output

MS Mobile Station

MSB Most Significant Bit

MTU Maximum Transmission Unit

nrtPS non-real-time Polling Service

PDU Protocol Data Unit

PHY Physical Layer

PMP Point-to-multipoint

rtPS real-time Polling Service Rx Receiver

SAP Service Access Point

SDU Service Data Unit

SFID Service Flow Identifier

SI Slip Indicator

SS Subscriber Station

TDD Time Division Duplex or Duplexing

TEK Traffic Encryption Key

TTG Transmit/Receive Transition Gap

Tx Transmitter UGS Unsolicited Grant Service xDSL x Digital Subscriber Line

第一章 緒論

1.1 研究動機 近幾年來，無線的技術似乎變為顯學，並且廣泛的應用於生活中。例 如無線電話、無線網路、藍芽耳機等，皆是透過無線的技術，讓使用者拋 開以往有線的束縛，便利且輕易的就能享受使用數位產品的樂趣。 因此，全世界投入無線新技術的研發團隊，前仆後繼。政府及大型企 業看好無線技術對於人們生活上的商機，更是投入大量的人力及金錢。例 如，本論文所要討論IEEE 802.16e技術[1][2][3][4][5]，著名的英特爾、富士 通、諾基亞、Airspan Networks、Alvarion、Aperto Networks、Ensemble Communications、OFDM Forum和Wi-LAN等多家企業聯合創建「WiMax 論壇」。韓國更直接由政府推動，主要目的是想在IEEE 802.161_{成為領導地} 位。 無線技術的進步，確實帶給人們許多便利性。從早期近距離、低速率 的無線模式，慢慢的演進至遠距離、高速率的無線模式。演進的過程中， 也進而將許多技術上的問題浮現出來，例如，安全及保密性、電力持久性、 無線介質的穩定性和可靠性、有效頻寬使用率[6][7]等。這些問題，還需一 一解決，使無線技術更趨純熟，大量的應用於日常生活中。 1

IEEE 802.16 標準有多個版本，依其固定與移動性，可分為IEEE 802.16™-2004 及IEEE 802.16e™-2005 ， 韓國主推WiBro，其標準始於 802.16d但經過了修改使得其設備可以在移動性的裝置上面使用並聲稱相容 於 802.16e。

1.2 研究目標 如前節所述，當無線傳輸距離愈來愈遠，速度愈來愈快，很多問題也 因此產生。本論文將針對眾多問題中的「無線介質的不穩定性和不可靠 性」，做深入的研究，以取得最佳的 IEEE 802.16e 有效頻寬使用率。透過 本論文所提出的方法，以期能得使 IEEE 802.16e 有效頻寬使用率得到改善。 1.3 章節介紹 本篇論文各章節簡述如下: 第一章 緒論，描述本論文的研究動機，以及本論文想要達到的目標。 第二章 背景知識介紹，本論文主要是要改善 IEEE 802.16e 的有效頻 寬使用率，因此，在此章節，我們會描述 IEEE 802.16e 相關背景知識，其 中包括 IEEE 802.16e 系統架構，參考原形，Time Division Duplex or Duplexing (TDD) frame 架構，Protocol Data Unit (PDU) 格式，header 格 式，subheader 格式，頻寬要求與配置機制等。

第三章 系統設計與架構，在此章節提出論文的新方法，利用動態改 變 PDU 的 Maximum Transmission Unit (MTU)，得以改善有效頻寬使用 率。其次，描述該系統的可行架構，並說明架構中的模組，個別的功能。 第四章 效能評估，在此，利用數學分析式，配合上 MATLAB 圖形分 析，用以求出最佳的實行例。

第五章 結論與未來工作，在此總結整篇論文，並提出未來可研究的 研究方向。

第二章 背景知識介紹

2.1 IEEE 802.16e 架構

IEEE 802.16e無線網路主要分為Point-to-multipoint (PMP) 模式[如圖

2-1

]和Mesh模式[如圖

2-2

]兩種模式。

PMP模式為一個中控的Base Station (BS) 和多個Subscriber Station1

(SS)所成的系統。

PMP模式下，下載 (downlink) 是指從BS到SS的方向，而BS是此方向 唯一的傳送者。因此，做下載的動作時，不需要做任何的協調。而接收的 SS，會經由確認Connection identifier (CID) 後，將指定到自己CID、group ID及broadcast ID，資料或資訊收下並處理。上傳 (uplink) 是指SS到BS的 方向，在SS上傳資料前，必須要先得到BS的Grant後，依安排的時間，作 上傳的動作。 Mesh模式則沒有中控BS的機制。此模式下，資料可由SS直接傳送， 不用經過BS的中介。因此，SS本身亦有路由的功能。 1

圖 2-1 IEEE 802.16e 架構 (PMP 模式)

2.2 IEEE 802.16e 參考原型

IEEE 802.16e MAC protocol 層可區分為三個子層[如圖 2-3]，分別是 Service-Specific Convergence Sublayer (CS)[8]、MAC Common Part Sublayer (CPS)和 Physical Layer (PHY)，各子層有其專屬的任務，在此分 述如下:

CS：CS 主要是將外部或應用程式的資料，先做轉換及分類，並將分 類好的資料，關連到對應的 Service Flow Identifier (SFID) 和 CID。

MAC CPS：MAC CPS 提供了 MAC 核心功能，包含系統存取、頻寬 配置、連線建立和連線的維護。同時，提供認證、密鑰交換及加密的安全 層，也涵蓋在這子層中。

PHY：PHY定義了各個規格2_{，每個規格各自有其適用的頻率範圍及應}

用。

各子層之間，溝通或傳送資料，是藉由 Service Access Point (SAP)； Application 和 CS 的溝通是藉由 CS SAP；CS 和 MAC CPS 的溝通是 藉由 MAC SAP；MAC CPS 和 PHY 的溝通則是藉由 PHY SAP。

而又依據傳送的內容，可分為資料性 (Data Plane) 和控制性 (Control Plane)。

2

IEEE 802.16支援WirelessMAN-SC、WirelessMAN-SCa、WirelessMAN-OFDM、WirelessMAN-OFDMA 四 種PHY規格。

圖 2-3 IEEE 802.16e protocol layer 表 2-1 OFDMA frame duration codes

2.3 OFDMA Frame架構 (TDD3)

PHY 利用 Frame 為單位，組出固定時間長度 (Frame Duration) 的資 料[如表 2-1]。OFDMA TDD frame format[如圖 2-4]是由 UL-Subframe 和 DL-Subframe 兩 個 Subframe 所 組 成 。 當 從 DL-Subframe 轉 為 UL-Subframe 時，中間夾雜 Transmit/Receive Transition Gap (TTG)，這 個 Gap 是讓 BS 有時間從傳輸轉為接收，而 SS 從接收轉為傳輸。當 UL-Subframe 轉為 DL-Subframe 時，中間夾雜 Receive/Transmit Transition Gap (RTG)，這個 Gap 剛好和 TTG 相反，它讓 BS 有時間從接收轉為傳輸， 而 SS 從傳輸轉為接收。

圖 2-4 OFDMA frame format

3

DL-Subframe 是由 BS 所組而成，其組成元件包含 Preamble、Frame Control Header (FCH)、DL-MAP、UL-MAP、DL bursts 等，茲分述如下： (1) Preamble：這是一個固定的值，SS 利用這個 Preamble 來和 BS

做時間和頻率的同步。

(2) FCH：它包含目前 Frame 的資訊，像是 DL-MAP 的長度，DL-MAP repetition coding 等。

(3) DL-MAP：DL-MAP[如表 2-2]定義了下載的資訊，其中主要包含了 傳送這封包的 BS ID，與指定何時該由哪個 SS 接收下載的資訊的 DL-MAP Information element (IE)等。因為 DL-MAP 以 Broadcast 方式傳送，因此 SS 都會收到。

(4) UL-MAP：UL-MAP[如表 2-3]定義了上傳的資訊，其中主要定義了 有效的上傳開始時間 (Allocation Start Time)，及各個SS上傳配置 的時間 (UL-MAP_IE)，UL-MAP也是以廣播的方式傳送，因此SS 都會收到。

(5) DL burst：DL burst為BS所組而成，此為送到指定的SS之PDU集 合，接收端的SS根據DL-MAP中的DL-MAP_IE得知該何時起來收 屬於自己的burst。

表 2-2 DL-MAP message format

UL-Subframe 是 由 SS 所 組 而 成 ， 其 組 成 元 件 包 含 Ranging Subchannel和UL burst，茲分述如下：

(1) Ranging Subchannel：這是一個保留用來送 Code Division Multiple Access (CDMA) code 的 subchannel，在 OFDMA 中，CDMA code 共有四組，分別是 initial-ranging codes、periodic-ranging codes、 bandwidth-request codes 和 handover-ranging codes。

(2) UL burst：UL burst 為 SS 所組而成，此為同一個 SS PDU 的集合， 發送端的 SS 根據 UL-MAP 中的 UL-MAP_IE 得知該在哪一段時間 有權發送 burst。

2.3.1 OFDMA Time Relevance of DL-MAP and UL-MAP (TDD)

在 DL-MAP 和 UL-MAP 中，Timing 資訊是相關聯的，DL-MAP 中所描 述的時間區間會指定在目前接收的 Frame 中，UL-MAP 中所描述的時間區 間會指定在下一個 Frame 中，[如圖 2-5]。DL subframe 和 UL subframe 不會相互覆蓋，且中間會有 TTG 及 RTG 做分隔。 DL-MAP 和 UL-MAP 所能配置的時間，大致分述如下: (1) DL-MAP： 最小值：在收完 MAP 後 最大值：在目前 Frame 結束前 (2) UL-MAP： 最小值：在下一個 Frame 收完 MAP 後 最大值：在下一個 Frame 結束前

資料送出。

圖 2-5 Timing of DL/UL MAP design

2.4 MAC PDU 格式

MAC PDU 格示如同圖 2-6 所示，每個 PDU 開頭先放固定六個 bytes 的 MAC header，接著可能放 PDU 的 Payload。如果有 PDU Payload 存在， 在 PDU Payload 內會存放零個或多個 extended subheaders，接著存放零 個或多個由 subheader 加上 Service Data Unit (SDU)的組合。

MAC PDU 可選擇是否要包含 Cyclic Redundancy Check (CRC)，但當 PHY layer 為 OFDMA 時，則強制要將 CRC 加入。

圖 2-7 Generic MAC header format

2.4.1 MAC header 格式

MAC header 可分為大兩類，一類為有包含 Payload 的 Generic MAC header (GMH)[如圖 2-7]，另一類為不包含 Payload 的 header，而不帶 Payload 的 MAC header 又為兩類，分別稱為 MAC signaling header type I[如圖 2-8]，及 MAC signaling header type II[如圖 2-9]茲分述如下:

Generic MAC header: 在此 header 之後，會帶 MAC 管理訊息或是 CS 層傳下的資料，Generic MAC header 各欄位分述如下：

(1) HT：Header Type，在此該值設定為 0。

(2) EC：Encryption Control，設定 Payload 是否要加密。

(3) Type： 指示 PDU 中是否有 subheaders 或 special Payload。在此 欄位中，每個 bit 代表的含意如表 2- 4 所示。

(4) ESF：Extended Subheader Field，設定 GMH 之後是否有跟隨 extended subheader。

(5) CI：CRC Indicate，表示 PDU 中是否包含 CRC。

(6) EKS ： Encryption Key Sequence ， 表 示 用 來 加 密 的 Traffic Encryption Key(TEK)和 initialization vector 的 index。

(7) Len： 用以表示整個 PDU 的長度，包含 GMH、Payload 及 CRC， 但不包含 Preamble。

(8) CID ： Connection Identifier ， 指 定 收 此 PDU 的 Connection Identifier 。

圖 2-9 MAC signaling header type II format

表 2-4 GMH type encodings

Type bit Value

#5 Mesh subheader

#4 ARQ FeedBack Payload

#3 Indicates whether the present Packing or Fragmentation subheaders is Extended

#2 Fragmentation subheader

#1 Packing subheader

#0 Downlink：FAST-FEEDBACK Allocation

MAC signaling header type I：這是不會帶 Payload 的 header，他的 欄位中，HT、EC、CID 及 HCS 和 GMH 內的欄位定義相同，其他欄位定 義如下

(1) Type：Type 欄位有做更動，各個值有其代表的意義，如表 2-5 所 示。

(2) Header Content：Header Content 會因不同的 Type 欄位值，而有 不同的組成欄位。

MAC signaling header type II：這和 MAC signaling header type I 相 似，都是不會帶 Payload 的 header，且固定的欄位更為精簡。

(1) Type：此欄位只有一個 bit，值永遠都是 0，表示這是 feedback header。

(2) CII：CID inclusion indication，表示 Feedback content 是否含有 CID 欄位

(3) Feedback Type：此用於表示 Feedback 的形式，[如表 2-6] 。

表 2-5 Type field encodings for MAC signaling header Type I

Type field MAC header type

000 Bandwidth Request (BR) incremental

001 BR aggregate

010 PHY channel report

011 BR with UL Transmitter (Tx) Power report

100 BR and Carrier-to-interference-and-noise Ratio (CINR) report

101 BR with UL sleep control

110 Sequence Number (SN) report

111 Channel Quality Information Channel (CQICH)

表2-6 Feedback type and feedback content

Feedback Type Feedback Contents

0b0000 CQI and MIMO feedback

0b0001 DL average Carrier-to-interference-and-noise

Ratio (CINR)

0b0010 Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna feedback

0b0011 _{Preferred DL channel DIUC feedback} 0b0100 _{UL transmission power}

0b0101 PHY channel feedback

0b0110 CQIs of DL multiple AMC bands

0b0111 The recommended number of frames for which the short-term precoding feedback can be used

0b1000 Multiple types of feedback 0b1001 Long-term precoding feedback

0b1010 Combined DL average CINR of Active BSs 0b1011 MIMO mode channel condition feedback

0b1100 CINR feedback

0b1101 Close-loop MIMO feedback

2.4.2 MAC subheader 和 special payloads

IEEE 802.16e 有六個型態的 subheaders，經分類，可歸為 per-PDU subheader 和 per-SDU subheader，per-PDU subheader 有 extended subheader、Mesh subheader、Fragmentation subheader、Fast-feedback allocation subheader 和 Grant Managements subheader ， per-SDU subheader 的有 Packing subheader。他們出現的先後順序為 per-PDU 先

於 per-SDU，而 per-PDU 中，優先權最高為為 extended subheader，其 後 依 序 在 為 Mesh subheader 、 Grant Managements subheader 、 Fragmentation subheader、和 Fast-feedback allocation。

每個 subheader 有個別的意義，茲分述如下：

(1) Fragmentation subheader[9]： 此用來表示這個 SDU 是否有被 fragment，並有欄位用於指出 Block Sequence Number (BSN)或 Fragment Sequence Number (FSN)。

(2) Grant Management subheader： 此用來向 BS 要求頻寬，並有調 整 frame latency 的功能。

(3) Packing subheader[9]：IEEE 802.16e 能夠組合多個 SDU 到一個 PDU 中，Packing subheader 表示這個 SDU 的 BSN 或 FSN 。 (4) Mesh subheader： 如果使用 Mesh 模式，Mesh subheader 就會

出現。

(5) FAST-feedback allocation subheader： 用來指定 FAST-feedback allocation 的 offset 及 feedback type。

(6) Extended subheader： 此可分為上傳和下載兩類。下載包含 SDU_SN extended subheader 、 DL sleep control extended subheader、Feedback request extended subheader、SN request extended subheader、PDU SN extended subheader。上傳包含 MIMO mode feedback extended subheader 、 UL Tx Power Report extended subheader 、 Mini-Feedback extended subheader、PDU SN extended subheader。

2.5 頻寬要求和配置機制

IEEE 802.16e 用來要求上傳頻寬的機制有三種，分別為 Contention，

Polling 和 Unsolicited Grant

。

當 SS 剛剛加入網路，或是沒有被配置到頻

寬時，SS 必須使用 Contention 的方式，在 Ranging Subchannel 中放置 一個 CDMA bandwidth-request code，用來向 BS 要取頻寬，並用此要來

的 頻 寬 發 送 Bandwidth Request

。

因 為 Ranging Subchannle 是 用

Contention 的方式要求頻寬，因此頻寬的要求不一定會成功。

當 SS 的 連 線 型 態 為 real-time Polling Service (rtPS)[10] 或 是 non-real-time Polling Service (nrtPS) 時，BS 會依據連線建立時所定的參 數，週期的對這些 Connections 做 Polling 的動作，讓這些 Connections 有足夠的頻寬來發送 Bandwidth Request。

當 SS 的連線型態為 Unsolicited Grant Service (UGS)或 extended real-time Polling Service (ertPS)[11][12]，BS 會依據連線建立時所定的參 數，週期性的給這些 Connections 約定的頻寬。當 UGS connection 的 queue 資料過多時，可藉 Grant subheader 的 Slip Indicate (SI) 欄位向 BS 要求額外的頻寬。

頻寬要求和配置如圖 2-10 所示，當 SS 完全沒有頻寬可用時，SS 會利 用 Contention 的機制，發送 CDMA bandwidth-request code，向 BS 要求 頻 寬 ， 用 以 送 Bandwidth Request 。 如 果 BS 有 收 到 ， 會 回 應 CDMA_Allocation_IE，並於此 IE 中分配頻寬給 SS。

SS 要發送 Bandwidth Request 的頻寬，除了從 CDMA_ Allocation _IE 得到外，SS 亦可從 Polling 中得到。BS 和 SS 在建立 rtPS 及 nrtPS 連線 時，會協調出 Connection 相關的參數，BS 依據這些參數，定期會 Polling SS，藉由 Polling 機制，BS 提供 SS 做 Bandwidth Request 所需的頻寬。 SS 除了可發 Bandwidth Request 向 BS 要求頻寬外，若 SS 有 UGS

或 ertPS 的 Connection 存在，BS 也會主動的配置頻寬給 SS。 由圖 2-10 可看出，若是由 Contention 機制送資料，最快要經過五個 frames 的時間才能將資料送出，若是由 Polling 機制送資料，最快要經過 三個 frames 的時間才能將資料送出，若是由 BS 主動 Grant，SS 在資料進 Queue 後，最快可馬上就將資料送出。 圖 2-10 頻寬要求與配置流程圖

第三章 系統架構與設計

3.1 系統架構

圖 3-1 系統架構

系統架構[如圖 3-1][13]，共分為 Application、CS、Queue、PDU Constructor、Bandwidth Request (BR)、Scheduler (SCH.)和 Air Interface 等七個模組，各個模組有其負責的任務。

(1) Application： 此模組會產生資料，經由和其他模組的配合，將資料 傳送出去。

(2) CS： Converagence sublayer 此模組會接收從 Application 模組傳 送下來的資料，並依據 Classify rules，將收到的 SDU 分類並轉換 到對應的 IEEE 802.16e Connection。

(3) Queue：本模組會依不同的 service type (UGS、ertPS、rtPS、nrtPS 和 BE) 及 QoS 參數，建立多組 Connection Queues，用來接收 CS 傳送下來的資料 SDU 或是 SS 自身產生的 Management SDU。並且，當有新的 SDU 進入 Queue 時，通知 BR 模組。 (4) BR：當 Queue 通知 BR 模組有新的 SDU 進入，或是 SS 需要額外

的頻寬時，BR 模組會組〞Incremental〞Bandwidth Request 的 header 或 PiggyBack 的 subheader，用以向 BS 要求頻寬。並依 IEEE 802.16e 規定，SS 定期要對 BS 發送〞Aggregate〞Bandwidth Request 的 Header，用來做 BS 和 SS Bandwidth Request 的同 步。

(5) SCH.：當 SS 被配置到頻寬後，SCH.模組依各 Connection Queue 的 QoS[14]參數，配合 SS 被分配到的頻寬，組出即將送出的資料 的 PDU description[15]。

(6) PDU Constructor：PDU Constructor 依據 SCH. 模組完成的 PDU description，組出最後要送出的 PDU[15]。

(7) Air Interface：此模組分為 Transmitter (Tx) 和 Receiver (Rx) 兩部 分,Tx 主要是將 PDUs 組成 Burst，並以 Air 為媒介，將組好的 Burst 依 UL-MAP_IE 中指示的時間送出；Rx 主要是將 Frame 收進來， 分析並過濾完所有和 SS 相關的資訊後，將他們往 MAC layer 上 傳。就本論文討論的議題，Rx 需要告知 SCH.模組有關於 BS 分派 給 SS 的頻寬及時間。

3.2 系統設計 3.2.1 最佳有效頻寬使用率的方法 因為無線傳輸的可靠性比較低，傳輸過程中，訊號發生錯誤或是遺失 比例也較高，因此，在本實驗中，要提出一個能提高有效頻寬使用率的機 制，藉由這個機制，可得到較好的有效頻寬使用率。 本論文是針對不同的 BER 作深入研究，利用論文提出的方法¸求出最 佳的有效頻寬使用率。因為在 IEEE 802.16e 中，並沒有機制可回傳 BER 的值，因此，我們在 UL/DL extended subheader type 中，分別都加入一個 type，命名為“BER extended subheader＂，用來回傳 BER 的值，如表 3-1 所示。

表3-1 New UL/DL extended subheader type

當 BER 升高時，我們將 MTU 變小，以減少無效資料的量，但並非無 止盡的縮小 MTU，因為在此同時，Overhead（如 MAC Header 、subheader 和 CRC 等）[16]會浪費掉頻寬。因此，該如何取得最佳的 MTU，成為一個 研究的方向。

我們利用數學推理的方式，求出一個 MTU、有效頻寬使用率和 BER 的關係，其公式如下

Definitions: R = Bandwidth utilization B = BER M = MTU OH1 _{= Overhead}

M

OH

M

B

R

M

)

(

*

)

1

(

−

8

−

=

_{………..(1)} 對算式(1)取極值，即可得到最佳的 MTU，如算式(2) 2 8 8 1 8

)

(

*

)

1

(

)

1

(

)

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1

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8

M

OH

M

B

M

B

M

OH

M

B

M

M

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₌

−

M

−

₊

−

M

₊

−

M

−

∂

∂

− …….………….(2) 利用算式(2)推算出的值，依據 BER 的不同，動態的調整 MTU，即可 得到最佳的有效頻寬使用率。 3.2.2 Lazy MTU 調整方法

本實驗為動態的調整 MTU，但當 MTU 變小時，原本一個 PDU 就可送 出的資料，可能會變為兩個或多個 PDU 才能送出，因此，Overhead 的數 量也增加，這會導致先前 SS 要到的頻寬不足，有些資料可能會延遲到有足 夠頻寬後才能送出[17]。這對於一些時間敏感的的應用程式來說（如網路電 視），不是一個很好的政策，因此，本論文提出一個解決的方法 (Lazy MTU 調整)，用來克服因為動態調整 MTU 所造成的延遲。

1_{公式中的Overhead指的是MAC header、Packing/Fragmentation subheader 及CRC,因為Grant Management} subheader並非每個PDU都會出現,在此於以省略。

圖 3-2 為一般沒有動態調整 MTU，頻寬的 Request，Grant 及資料的 傳送方式，其解釋如下：

首先，設定 MTU 為 1024bytes，要傳送的資料為 500bytes，H 是六 個 bytes 的 MAC Header， C 是四個 bytes 的 CRC， G 是兩個 bytes 的 Grant Management subheader。

步驟一：當 SS 收到 BS 的 Polling 後，SS 送出值為 510 (Data + H + C) bytes 的 Bandwidth Request PDU。

步驟二：當 BS 收到 SS 的 Bandwidth Request PDU 後，BS Grant SS 512 (Data + H + C + G) bytes 的頻寬。

步驟三：當 SS 收到 Grant 後，組出一個長為 512bytes 的 PDU，並在 此 Frame 中順利的將全部 500 bytes 的資料送出。

calculate bandwidth required (MTU = 1024)

BS SS

send data

grant with polling bandwidth request polling (Data=(500+H+C+G)) (Grant=(500+H+C+G)) (BR=(500+H+C)) Data (size=500)

圖 3-2 Bandwidth Request/Grant and data transmission flowchart without MTU modify

由圖 3-2 我們可看出，從 SS 收到 Polling 至整個 500 bytes Data 送出， 總共花了 3 個 Frame Time 的時間。

grant with polling and BER report

send data and bandwidth request (Data=38+H+C+F)

send data and bandwidth request (Data=(462+4(H+C+F)+G)， BR=38+H+C+F)

grant with polling (Grant=38+H+C+F+G) change MTU to 128 Data (size=500) bandwidth request polling (BR=(500+H+C)) (Grant=(500+H+C+G)) SS BS

calculate bandwidth required (MTU = 1024)

圖 3-3 Bandwidth Request/Grant and data transmission flowchart with MTU modify

圖 3-3 為 BER 升高後，SS 動態的調整成最佳 MTU 後，Bandwidth Request、Grant 及資料的傳送方式，其解釋如下：

SS 起初 MTU 為 1024bytes，要傳送的資料為 500bytes，H 是六個 bytes 的 MAC Header，C 是四個 bytes 的 CRC，G 是兩個 bytes 的 Grant Management subheader，F 是兩個 bytes 的 Fragmentation subheader， 經 BS 回報 BER 升高後，SS 動態調整成最佳 MTU，值為 128 bytes。

步驟一：當 SS 收到 BS 的 Polling 後，SS 送出值為 510bytes (Data + H + C) 的 Bandwidth Request。

步驟二：當 BS 收到 SS 的 Bandwidth Request 後，BS Grant SS 512 bytes (Data + H + C + G) 的頻寬。

步驟三：SS 得到 BS 最新回報的 BER 報告，SS 動態調整 MTU 為 128 bytes。

步驟四：當 SS 收到 BS Grant 的 512bytes 的頻寬，SS 組出四個長為 128 bytes 的 PDU[如圖 3-4]，但因為 MTU 變小後，相對的 Overhead 增加， 導致先前要求的頻寬不夠，SS 必須要另外再發 Bandwidth Request，替剩 餘的 38 bytes 資料要頻寬。

步驟五：BS 在收到 SS 第二次的 Bandwidth Request 後，Grant SS 52 (remain Data + H + C + F + G) bytes 的頻寬。

步驟六：當 SS 收到 Grant 後，SS 將剩餘的 38 bytes 資料加上 Overhead 後，組成一個 PDU 並送出。

由圖 3-3 我們可看出，從 SS 收到 Polling 至整個 500 bytes Data 送出， 總共花了 5 個 Frame Time 的時間。

圖 3-4 資料傳輸分析圖

由圖 3-2 和圖 3-3 的結果可看出，當我們縮小了 MTU，會造成資料傳 送上的延遲，這是大家所不樂見的。因此，本論文提出一個解決方法，如 圖 3-5 所示。

首先，設定 MTU 為 1024 bytes，要傳送的資料為 500 bytes，H 是六 個 bytes 的 MAC Header， C 是四個 bytes 的 CRC， G 是兩個 bytes 的 Grant Management subheader ， F 是 兩 個 bytes 的 Fragmentation subheader，經 BS 回報 BER 升高後，SS 動態調整成最佳 MTU，值為 128 bytes。

calculate bandwidth required (newMTU = 1024) Data (size=500) SS BS MTU = 1024 newMTU = 1024 (BR= (500+H+C))

grant with polling and BER report bandwidth request

(Grant = (500+H+C +G)) polling

change MTU to128

(Data= (500+H+C+G)，BR=500+5(H+C+F )) send data and bandwidth request

change newMTU to128

calculate bandwidth required using newMTU construct PDUs using MTU

Data

(size=500)

圖 3-5 改良式 Bandwidth request/grant and data transmission flowchart

步驟一：當 SS 收到 BS 的 Polling 後，SS 送出值為 510bytes (Data + H + C) bytes 的 Bandwidth Request。

步驟二：當 BS 收到 SS 的 Bandwidth Request 後，BS Grant SS 512 bytes (Data + H + C + G) 的頻寬。

步驟三：SS 得到 BS 最新回報的 BER 報告，SS 利用 BER 推算最佳 的 MTU 為 128 bytes，但因為此時收到配置上傳的頻寬是利用 MTU 為 1024 bytes 為參數所推算出，因此，在此同時，組 PDU 還是利用 MTU 等於 1024 bytes 為參數，去做組 PDU 的動作，但是 Bandwidth Request 則需要用 MTU 等於 128 bytes 為參數，去推算出實際要的頻寬。

步驟四：當組好 Burst，並將 Burst 送出後，修改組 PDU 的 MTU 為 128 bytes，並套用到後面做組 PDU 的參數。

由圖 3-5 可看出，本論文提出的方法，和一般沒有動態調整 MTU，傳 送資料所花的時間是相同的，不會有部分資料延遲傳送的狀況，因此可克 服因為動態調整成最佳 MTU 所造成的資料傳送延遲。

第四章 效能評估

本章節將就論文第三章中，所提出的方法作評估。利用固定的 MTU 和 動態調整最佳 MTU 做比較討論，用來證明使用本論文提出的方法，對系統 的有效頻寬使用率有明顯的改善。 4.1 固定 MTU 的頻寬使用率評估 由 第 三 章 我 們 提 出 計 算 有 效 頻 寬 使 用 率 的 方 法 M OH M B R M ) ( * ) 1 ( − 8 − = _{可以整理出，固定的 MTU 在不同的 BER 下，有} 效頻寬使用率的變化,如表 4-1 所示。 表4-1 MTU、BER和有效頻寬使用率統計表 128 512 1024 2047 10-4 _{81.8 64.8 43.5 19.3} 5*10-4 _{86.1 79.5 65.6 43.8} 10-5 _{89.7 93.7 91.1 84.3} 5*10-5 _{90.1 95.6 94.9 91.6} 10-6 _{90.5 97.2 98.0 97.8} MTU BER

由表 4-1 可得知，當BER為 10-4_{時，MTU為 128 bytes有較好的有效頻}

寬使用率，但當BER為 10-6_{時，MTU為 1024 bytes有較好的有效頻寬使用}

率。我們無法找出一個固定的MTU能讓有效頻寬使用率在不同的BER狀態 下，一直維持最好，因此，要達到最佳有效頻寬使用率，動態的調整成最

佳MTU是有必要的。 4.2 動態調整 MTU 由上節的分析得知，在不同的 BER 下， MTU 會影響有效頻寬使用率。 利用本論文所提出的算式，可列出如圖 4-1 所示，BER、MTU 和有效頻寬 使用率的關係。 圖 4-1 個別 BER 在不同的 MTU 下的頻寬使用率

圖 4-2 為不同的 BER 下，能得到最佳頻寬使用率的最佳 MTU 表示圖。

圖 4-2 最佳 MTU

圖 4-3 為BER由 10-6 變為 10-4，使用固定MTU及本論文提出的動態調

整成最佳MTU機制的比較圖，我們用”--◇--”表示MTU 固定為 128bytes 的線狀圖，”--x--”為MTU 固定為 2047bytes的線狀圖，”--+--”為動態調 整 成 最 佳 MTU 機 制 的 線 狀 圖 。 當 BER 為 10-6， 動 態 調 整 MTU 為

1231bytes，有最好的有效頻寬使用率。當SS收到BS傳來新的BER

report，根據report指示BER變為 10-4時，SS會動態調整到最佳的MTU

示出，動態調整成最佳MTU機制可使SS常維持在最好的有效頻寬使用 率1_。 BER 10-6 10-4 圖 4-3 變動 BER 的有效頻寬頻寬使用率 1 當BER由 10-6_{變為 10}-4_{，BS必須經過一段時間的收集，才能將正確的BER回報給SS，在BS回報之前，SS} 未能調到最佳的MTU，因此在這段時間SS無法維持在最好的有效頻寬使用率。而BER的收集不在本論文 的討論範圍，故圖 4-3 將BS收集BER這段期間給於省略。

第五章結論與未來工作

5.1 結論 無線傳輸愈來愈普及，人們對它的期待也就愈來愈大，期望它能傳的 又遠、又快、又穩。然而，面對此項艱辛任務的人，便是每位研發無線技 術的人員。對他們而言，每一項技術的瓶頸，都是一種挑戰，也是一種機 會。突破了技術瓶頸，便是多了一項可讓人們生活更便利，為企業帶來商 機的機會。

本論文提出的方法，為 IEEE 802.16e 系統根據當時測出的 BER，動 態調整成最佳 MTU，以期待當錯誤產生時，能夠丟棄較少的資料，並且保 有最佳的頻寬使用率。而當 MTU 變小時，傳送相同資料的 Overhead 可能 會增加，這會造成原本要在此 Frame 傳送出的資料，出現延遲的問題，此 點，本論文也提出解決的一個方法，用以去除因修改 MTU 所造成的延遲。 5.2 未來工作 現行的無線網路技術應用，有其物理上的限制，若要使傳輸速度加快， 就需要另外新的技術。但在此同時，現行的網路頻寬，是否能真的有效利 用，也許也是一個值得令人深思的方向。 本論文提出利用偵測 BER 動態調整成最佳 MTU，進而提高有效頻寬使 用率，但除了論文中提到的方法，我們也可用其他方法改善有效頻寬使用 率，例如 SS 用最適當的調變技術[18][19]、SS 動態選擇最佳的 BS[20]或 系統支援 HARQ 等，有很多方法都能將有限的頻寬做最佳的利用，而他們 正等著我們去發掘。 論文中提到，因為動態調整成最佳 MTU，造成了資料延遲傳送的問題， 我們在第三章提出了解決方法。但是，因為 IEEE 802.16e 並不能每次都精

準的要到所需的頻寬 (例如臨時增加的 Bandwidth Request header 或是 被優先權較高的 Connection 搶走頻寬)，這都會造成資料延遲傳送，因此，

好的 Scheduler[21][22][23]機制將是 IEEE 802.16e 一個重要的議題。

論文中提到動態修改 MTU 的方法，能有效提高頻寬使用率，但除此之 外，利用動態修改 MTU 的法，我們也可以提出另外一個新的想法，那就是 當 SS 要更換到較高效率的調變技術（modulation）的同時，我們可以利用 動態修改 MTU 的方法，先將 MTU 變小，減少資料的損壞率，經過一段時 間評估，若更新的調變技術不適合現在環境，則變回原來的調變技術，反 之，若更新的調變技術適合現在環境，我們再將 MTU 修改到最佳值，這可 使 SS 更快速的變換到較佳的調變技術。

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