IEEE802.16j中具干擾感知之訊框排程的研究 - 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. IEEE 802.16j中具干擾感知之訊框排程的研. ‧. 究. Nat. 802.16j Network al v i n Ch engchi U. n. er. io. sit. y. Interference-Aware Frame Scheduling for IEEE. 研究生：陳韋良指導教授：張宏慶. 中華民國一百年七月 July 2011.

(2) IEEE 802.16j中具干擾感知之訊框排程的研究 Interference-Aware Frame Scheduling for IEEE 802.16j Network. 研究生：陳韋良. Student：Wei-Liang Chen. 指導教授：張宏慶. Advisor：Hung-Chin Jang. 國立政治大學資訊科學系碩士論文. 學 ‧. ‧ 國. 立. 政治大. y. Nat. n. er. io. sit. A Thesis Submitted to Department of Computer Science a l Chengchi University v National i n Ch U e n gofcthe in partial fulfillment h i Requirements for the degree of Master in Computer Science. 中華民國一百年七月 July 2011.

(3) IEEE 802.16j中具干擾感知之訊框排程的研究. 摘要 IEEE 802.16 標準中，有所謂 Multi-hop Relay (MR)的概念，其中存在很多問題需要解決，所以在 IEEE 802.16j 標準中提出中繼傳輸站(Relay Station，RS)來延伸原來的涵蓋範圍及解決遮蔽效應造成訊號衰弱的問題。但在 MR 中由於多了中繼傳輸站來傳遞資料，網路拓樸變得相對複雜，資料從發送端到接收端的路徑. 治政大網路效能低落。本研究提出一套具干擾感知的排程方法，可有效提升網路效能。立. 變長了，在資料大量傳輸的狀況下，會因干擾及壅塞的問題變得嚴重而導致整個. 本方法分為三個部分，首先在允入控制階段盡可能選取高調變的連線，其次利用. ‧ 國. 學. 空間距離的分群概念提出 TZG (Time Zone Grouping)方法，以逆時針的方式區分. ‧. 不同 RS 傳輸的時區，最後以調整分區內 non-real time 服務的頻寬需求，減少 RS. y. Nat. 在 access zone 頻寬的浪費。我們利用 NS2 進行模擬實驗分析，驗證所提出的方. er. io. sit. 法在利用分區傳送避免碰撞下，UGS 的 delay time 相較於未分群的方法可有效改善約 33%，ertPS 可改善約 29%，rtPS 可改善約 20%，而系統 throughout 相較於. al. n. v i n 其他僅選擇最大 access link 的頻寬需求作為 access zone 大小的方法最多可提升約 Ch engchi U 15.5%的效能。. i.

(4) Interference-Aware Frame Scheduling for IEEE 802.16j Network Abstract As we know, there is Multi-hop Relay concept in standard of IEEE 802.16. But there are still many problems unsolved in WiMAX, so IEEE 802.16j propose a new station type, relay station, to extend signal coverage and improve the signal intensity which affected by shadow. 政治大 data transmission and path routing become more complexity. At the same 立. fading. Since there are many relay stations in the coverage of base station,. time, the transmissions become close, more interference and network. ‧ 國. 學. congestion will decrease the efficiency of data transmission in the. ‧. network.. sit. y. Nat. This research proposes a frame scheduling with interference aware,. io. er. which consist of three parts. First, we make the better modulation of links get higher priority; Second, we use concept of distance to proposed Time. n. al. Zone grouping (TZG), Cwhich h set RS. engchi. i n into U. v. different group in. counterclockwise way to reduce interference; Third, adjusting bandwidth allocation in access zone to decrease bandwidth waste in access zone. We implement our algorithm in NS2 simulator, the result shows that our method can improve delay of UGS about 33%, ertPS about 20%, rtPS about 20% than RTDS(Real time Distributed Scheduling ), and the system throughput can grow about 15.5% than the mechanism that just choose maximum requirement in access link of all BS/RS as access zone.. ii.

(5) 致謝詞時間轉眼間過了三年，碩士生涯即將劃下句點，三年的研究生活裡有苦有樂，能夠完成這篇論文首先要感謝我的指導教授張宏慶博士，不僅是只有學術研究上的指導，生活中也讓我學會如何有效規劃做事的時間。接著我要感謝 MCLAB3 所有跟我一起作研究的夥伴，謝謝國淵、. 政治大. 立吉、孜銚、建彪，和你們一起討論的相互激勵，是很歡樂很有趣的. 立. 時光，還有鐘毅、昀峻、佩璇，謝謝你們讓我的實驗室生活變得多采. ‧ 國. 學. 多姿。. ‧. 再來我要感謝在電算中心認識的 Mary 姊、Jessie、立凱、光德、. Nat. io. sit. y. 瑞聲，以及好多的學助、學顧朋友們，在政大這麼長的一段時間裡有. er. 許多時光都是在計中度過的，對我而言那是個能夠轉換心情的地方，. al. n. v i n Ch 謝謝你們，這是一段值得一再回味的珍貴回憶。 engchi U. 家人永遠是最重要的，我要謝謝我的家人，爸爸、媽媽、老哥，你們提供了一個很好的環境讓我可以沒有後顧之憂地專心念書及做研究。時光飛逝，如今要離開校園，在未來人生我將更加積極面對一切挑戰與困境，謝謝你們。. 陳韋良 2011.8 iii.

(6) 目錄 1.. 第一章緒論................................................... 1. 1.1. WiMAX 簡介 .......................................................................................................... 1. 1.2. IEEE 802.16j Multi-hop Relay ................................................................................ 2. 1.2.1. IEEE 802.16j Relay Mode ................................................................................... 3. 1.2.2. IEEE 802.16j Frame Structure ............................................................................. 4. 1.3. 研究動機與目的...................................................................................................... 6. 1.4. 論文組織架構.......................................................................................................... 7. 2.. 第二章相關研究............................................... 8. 2.3. 政治大 Interference ............................................................................................................ 13 立 Quality of Service .................................................................................................. 15. 2.4. Related Work ......................................................................................................... 18. Frame Scheduling .................................................................................................... 8. 2.1. 學. 3.. ‧ 國. 2.2. 第三章方法論................................................ 22. ‧. 問題分析................................................................................................................ 22. 3.1. 通道品質不佳的連線允入控制 ....................................................................... 22. 3.1.2.. 動態配置的 access zone 仍存在頻寬浪費 ...................................................... 23. 3.1.3.. v i n C h.................................................................................... MR 環境中的傳輸干擾 24 engchi U. sit. al. 所有允入連線的傳送優先順序 ....................................................................... 24. n. 3.1.5.. er. io. 3.1.4.. y. Nat. 3.1.1.. MR 值中維持 QoS 的保證 ............................................................................... 25 研究方法................................................................................................................ 26. 3.2 3.2.1. 允入控制中連線請求的限制 ........................................................................... 26. 3.2.2. 動態調整 non-real time 頻寬需求以降低各基地台頻寬使用差距 ................ 28. 3.2.3. 傳輸時的干擾感知 ........................................................................................... 30. 3.3. 4.. 系統架構與流程.................................................................................................... 33. 第四章模擬實驗與數據分析.................................... 37. 4.1. 實驗環境參數........................................................................................................ 37. 4.2. 模擬數據................................................................................................................ 38 iv.

(7) 5.. 第五章結論與未來研究........................................ 53. 5.1. 結論........................................................................................................................ 53. 5.2. 未來研究................................................................................................................ 54. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. v. i n U. v.

(8) 圖目錄圖 1-1 Transparent Mode and Non-transparent Mode............................................... 3 1-2 Access Link and Relay Link .......................................................................... 4 1-3 Transparent Relay frame structure[3] ............................................................ 5 1-4 Non-transparent Relay frame structure [3] .................................................... 5 2-1 Adaptive Zone vs. Fixed Zone Allocation [6] ................................................ 9 2-2 Example of Wasting Resources in IEEE 802.16j System [10] .................... 10 2-3 RTDS 架構圖 [9] ........................................................................................ 12 2-4 Packet Delay Time 關係圖 [9].................................................................... 13 2-5 Example of partner selection [12] ................................................................ 14 2-6 IEEE 802.16 QoS 架構 [13] ....................................................................... 16 2-7 SQSA 系統架構圖[13] ................................................................................ 18 2-8 Bandwidth Request Algorithm in WiMAX.[8] ............................................ 20 3-1 Example of wasted bandwidth in Access Zone ............................................ 24 3-2 傳輸干擾示意圖 .......................................................................................... 32 3-3 允入控制流程圖 .......................................................................................... 35 3-4 Step3、Step4 frame scheduling and interference-aware procedure ............ 36 4-1 System throughput 與 RS 數量關係圖 ...................................................... 39. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 4-2 Average delay 與 RS 數量關係圖 ............................................................... 40 圖 4-3 Retransmission ratio 與 RS 數量關係圖 ..................................................... 42 圖 4-4 Average jitter 與 RS 數量關係圖 ................................................................ 42 圖 4-5 Access zone 頻寬利用率 ............................................................................. 43 圖 4-6 Average UGS delay with 6 Relay Stations ................................................... 44 圖 4-7 Average ertPS delay with 6 Relay Stations .................................................. 45 圖 4-8 Average rtPS delay with 6 Relay Stations .................................................... 45 圖 4-9 Average nrtPS delay with 6 Relay Stations .................................................. 46 圖 4-10 Average UGS jitter with 6 Relay Stations .................................................. 47 圖 4-11 Average ertPS jitter with 6 Relay Stations ................................................. 48 圖 4-12 Average rtPS jitter with 6 Relay Stations ................................................... 48 圖 4-13 System throughput 與 system loading 關係圖 ......................................... 50 圖 4-14 Average delay 與 system loading 關係圖 .................................................. 51 圖 4-15 Retransmission ratio 與 system loading 關係圖........................................ 51. Ch. engchi. vi. i n U. v.

(9) 表目錄表 2-1 QoS 各項需求參數[13] ............................................................................... 17 3-1 MCS Table for Adaptive Modulation & Coding ......................................... 23 4-1 實驗基本參數 .............................................................................................. 37 4-2 實體層各調變機制的速率 ......................................................................... 38 4-3 TZG 在 System throughput 效能改進比較................................................ 39 4-4 TZG Average delay 效能改進比較 ............................................................. 40 4-5 Access zone 頻寬利用效能改進比例 ........................................................ 43 4-6 Average delay of real time service in RTDS and TZG (RS=6) .................... 46 4-7 Average jitter of real time service in RTDS and TZG (RS=6) ..................... 49. 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 表表表表表表表表. Ch. engchi. vii. i n U. v.

(10) 1. 第一章緒論 1.1 WiMAX 簡介 WiMAX 為一種微波和毫米波頻段的無線都會型網路技術，因利用高效率無線訊號傳輸與處理技術，而具備傳輸距離最遠可達 50 公里長，傳輸速率最高可達 70 Mbps，能快速布建及低成本等特性，適合中距離的無線傳輸服務，可作為. 政治大. 無線高速接取網路的媒介。負責制定 IEEE 802.16 標準的工作團隊，從 2001 年. 立. 以來已經通過了以下幾個重要的版本：802.16 (2001)、802.16c (2002)、802.16a. ‧ 國. 學. (2003)、802.16d (2004)、802.16e (2005)、802.16j(2009)以及 2011 三月通過的 802.16m。在這些演進中，IEEE Std 802.16d 為第一個 WiMAX 解決方案的基礎，. ‧. IEEE Std 802.16d 合併 IEEE Std 802.16、IEEE Std 802.16a 及 IEEE Std 802.16c. y. Nat. sit. 三項規格，並明確定義在固定式寬頻無線網路存取中，各層間的協定與介面標準，. n. al. er. io. 包括媒體存取控制層與多種不同的實體層規範。因此之後的標準制定都以 IEEE. i n U. v. Std 802.16d 為基礎去增修與改進。IEEE Std 802.16e 加強了 IEEE Std 802.16d 的. Ch. engchi. 規格以支援 SS 的高速移動，並提出媒體存取控制層的換手機制，整合固定式與移動式的寬頻無線網路存取，主要使用頻帶限制在低於 6 GHz 的執照頻帶。針對行動通訊的需求，IEEE 802.16e 提出了一系列的省電機制，以便用於行動裝置上。除了省電外，也期望裝置在高速下能順暢地保持通訊。實體層採用正交分頻多重存取技術 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)，將所有子載波分割成若干群組，稱為子通道 (sub-channel)，分配給不同用戶使用，並根據傳輸環境決定各子通道的子載波數。藉由子載波配置與可適性調變和編碼技術，讓 OFDMA 實體層方便在通道變化較大的移動環境中傳輸資料。. 1.

(11) 雖然 WiMAX 傳輸速率高，涵蓋範圍大，但在市區的建築障礙物很多，實際網路中存在一些問題導致效能不如預期。第一，訊號強度隨著裝置離基地台的距離遞減，在收訊邊緣的訊號變的相當弱，而無法保持較高的傳輸速率；第二，當 MS (Mobile Station)等行動裝置當距離基地台較遠時，需要更多的電力維持訊號的連接；第三，即便是 NLOS (Non-Light of Sight)的基地台仍存有一些訊號的死角，像是大樓內部或是巷道中，建物遮蔽產生 shadow fading 的問題亦造成訊號不穩。為了解決這些問題，IEEE 制定了 802.16j，在 WiMAX 中新制定了 RS (Relay Station)，這是ㄧ種低成本的基地台，毋頇後端固接網路，可用來增加訊號範圍以及增進系統整體的傳輸量。. 學. ‧ 國. 立. 政治大. 1.2 IEEE 802.16j Multi-hop Relay. ‧. IEEE Std 802.16j 為以 IEEE 802.16e 點對多點模式(Point-to-Multipoint，. y. Nat. PMP)網路為基礎而延伸的規格，其目的為在原本的移動式 WiMAX 架構下新增. er. io. sit. 中繼基地台(Relay Station，RS)利用多段轉傳 (Multi-hop Relay，MR)的功能來延伸訊號範圍或是提升系統的傳輸量，在 MR 網路中，BS (Base Station)又稱為. n. al. MR-BS。. Ch. engchi. i n U. v. 在 IEEE 802.16j 中，對於封包的排程(scheduling)及資源分配可分為兩種模式，中央排程模式(centralized scheduling mode)及分散排程模式(distributed scheduling mode)。前者表示封包的排程及資源分配是由 MR-BS 統一控管 RS 及其下屬所有的 MS，RS 僅負責轉傳；後者則代表 RS 本身可以分配資源給其下屬的 MS。Relay Station 有兩種模式，分別為 Transparent mode 及 Non-transparent mode 。 Non-transparent RS 運作在中央控管及分散控管中，而 Transparent RS 僅可運作在中央控管的 MR 系統中。. 2.

(12) 1.2.1IEEE 802.16j Relay Mode 在 IEEE 802.16j 規格中，根據基地台放置的地點，將中繼台細分為穿透式 (Transparent mode)和非穿透式(Non-transparent mode)兩種型態。此兩種中繼台最主要的差異在於穿透式中繼台不會轉送基地台所傳送的廣播管理訊息 (DLMAP、 ULMAP、DCD 與 UCD 等) 到下屬的 (subordinate)中繼台或用戶端；非穿透式中繼台則是會根據排程方式的不同，自己傳送廣播管理訊息或是將基地台所傳送的管理訊息轉送到下屬設備台上，如圖 1-1 所示，穿透式 RS 主要用以增加 BS. 政治大. 範圍中的資料傳輸量，而非穿透式的 RS 則用以延伸 BS 不足的訊號覆蓋範圍。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 1-1 Transparent Mode and Non-transparent Mode. 在 MR 網路中，MS 需跟 MR-BS 或是 RS 建立連線，為了區分是否是 relay， IEEE 802.16j 中定義了兩種連線類別(link)。當無線連線是 MS 在與 MR-BS 或 RS 之間的連線稱作 access link，這一部分的連線協定必頇相容於 IEEE 802.16e 的裝置；而在 MR-BS 及 RS 或 RS 跟 RS 之間僅為轉傳資料的連線則稱為 relay link。圖 1-2 為四個 hops 的例子，其中最後一個 RS 與 MS 連接的 hop 為 access link， MR-BS 與 RS 或 RS 之間的 link 則為 relay link。 3.

(13) 圖 1-2 Access Link and Relay Link. 立. 政治大. 1.2.2IEEE 802.16j Frame Structure. ‧ 國. 學. IEEE 802.16j 系統採用正交分頻多重擷取（OFDMA）技術，其多載波及多. ‧. 通道特性可同時支援多個使用者。因為 RS 的出現，在 frame 的架構上也不同，. sit. y. Nat. 在 IEEE 802.16j 上提出了兩種 frame 架構，transparent relay frame structure 及. al. er. io. non-transparent relay frame structure。. v. n. 如圖 1-3 所示，在 WiMAX 中一個 frame 可切割為上行 subframe（UL subframe）. Ch. engchi. i n U. 及下行 subframe（DL subframe）。上行 subframe 包括上行資料和 ranging subchannel，下行 subframe 可分為 DL access zone 和 optional transparent zone。在 DL access zone 中 MR-BS 會傳送 FCH（Frame Control Header）、DL_MAP、 UL_MAP 和下行使用者的資料。RS 在這段時間內等待接受到 MR-BS 的訊號後並依照收到的指令在 optional transparent zone 傳輸資料給使用者。MR-BS 在這段時間可自行選擇是否與 RS 或 MS 溝通。DL_MAP 和 UL_MAP 主要是功能是告知每個 MS 的傳輸資料會被分配在 UL subframe 或 DL subframe 的哪個區塊。此外在 transparent relay frame structure 下的 RS 並不會發送自己的 preamble，因此使用者並不會察覺有 RS 的存在。 4.

(14) 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 圖 1-3 Transparent Relay frame structure[3]. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 1-4 Non-transparent Relay frame structure [3] 5.

(15) 圖 1-4 是 non-transparent relay frame structure。與 transparent relay frame structure 相同，將一 frame 分割成 DL subframe 與 UL subframe，而此兩 frame 又再分成 access zone 與 relay zone。其中 access zone 即 access link 的資料傳輸區間； relay zone 即 relay link 的資料傳輸區間。在 UL subframe 上與 transparent relay frame structure 的 UL subframe 相同，而 DL subframe 中也同樣包含 FCH、DL_MAP、 UL_MAP 和下行使用者的資料。MR-BS 可藉由 relay zone 告知 RS 需在何時與指定的通道轉傳資料。RS 的 frame 架構與 MR-BS 相同，在 DL access zone 也包括 preamble、FCH、DL_MAP、UL_MAP 和下行使用者資料。因此 RS 需要轉傳. 治政大資料並在下一個 frame 中做轉傳的動作。立. MR-BS 發送給自己的 preamble。在 DL relay zone 中，RS 會接收來自 MR-BS 的. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. 1.3 研究動機與目的. n. al. er. io. 在過去無線網路雖有佈建方便等優勢，但由於頻寬不如有線網路那麼大，在. i n U. v. 其上的應用多半頻寬需求都不高。WiMAX 帶來高速且廣域的無線網路，隨之而. Ch. engchi. 來的應用也更加多元，許多影音串流，IPTV 等大流量的網路服務漸漸興起。此外一些公用網路的區域因為有線網路佈建不易，也轉趨以無線基地台增進網路覆蓋範圍，逐漸地各式各樣的網路服務都透過無線上網，因此當所有服務類型都擠入網路中，分配好頻寬資源讓串流能順利撥放，讓各類封包準時送達就變成很重要的課題。 802.16e 在物理環境限制下，會造成訊號微弱，傳輸速率降低等因為遮蔽影響所造成的傳輸問題，因此 802.16j 加入了 RS 做為轉傳的基地台，但封包從 BS 傳到 MS 的距離拉長了，BS 底下有多個 RS 使整體網路拓樸變得更複雜，亦將產生更多的干擾，越來越多的傳輸更容易造成網路壅塞。而在現今多媒體通訊應 6.

(16) 用下，許多即時性的串流服務有 delay 上的限制，傳輸品質的保證是很重要的課題，在 IEEE802.16 規範中，各項傳輸類別 QoS (Quality of Service)頻寬需求是需要被保證的，當 MR 網路環境中有大量的資料傳輸，不同等級的資料封包更需要有良好的排程。MR 網路中一個 frame 分為 uplink subframe 及 downlink subframe，底下又再細分為 relay zone 及 access zone，有效的分配 relay 所需的頻寬可使封包不致等待過久而過期，access 中調整傳輸類別的先後順序，同時也要考慮附近是否有連線也要傳輸的干擾問題。在 IEEE 802.16j 中並無明確規範 scheduling 的規則，因此設計一套可應用於. 政治大. 中繼網路型態且有效率的排程演算法對於 MR 的網路效能是很有幫助的。. 立. ‧ 國. 學. 1.4 論文組織架構. ‧. 本論文架構如下，第一章緒論介紹 WiMAX 背景、IEEE 802.16j 新增的 Relay. y. Nat. Station，不同的 Relay Mode，以及研究的動機與目的。第二章介紹本研究相關. er. io. sit. 背景與議題內容，參考了國內外在 MR 網路環境中的 frame scheduling，及 access zone 與 relay zone 的頻寬分配問題，第三章說明三個面臨的問題，分別為允入. al. n. v i n 控制對連線的優先權篩選、MR RS 在 access C h網路環境中傳輸時的干擾以及各 engchi U. zone 中頻寬配置的浪費。我們提出三個方法處理上述問題，並將做法寫成虛擬碼實作在 NS2 模擬器裡。第四章說明我們的模擬環境及實驗數據，並分析實驗結果。最後一章總結提出方法所改進的重點與未來的研究方向。. 7.

(17) 2. 第二章相關研究 2.1 Frame Scheduling 在 MR 中，多個 hops 數的轉傳使得每個 frame 需要切割分配給 relay link 或是 access link 使用的 subframe，而根據環境中不同的 hops 數，分配不同 hop 使用的 subframe，大小亦有所不同，然而依據傳統固定的切割方式在多變的網路環. 政治大 zone 與 relay zone 的大小，讓 MR-BS 收集計算所有透過 transparent relay 的 MS 立境中，不能有效利用頻寬，及時符合傳輸需求。Ghosh 等在[6]中提出調整 access. ‧ 國. 學. 連線需求，再以這些 access link 中頻寬需求最高者做為該次 scheduling 的 access zone 長度，如下式所示，. ‧. 𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑍𝑜𝑛𝑒𝑃𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛. n. al. er. io. sit. y. Nat. = max(𝑆𝑢𝑚𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠, 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎1 ), 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎2 ) … , 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎𝑛 )). i n U. (1). v. 其中𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑𝑀𝑆(𝑁𝑅𝑎𝑖 )表示 non-transparent RS i 底下 MS 所需的 slots 總數，再計算. Ch. engchi. relay zone 的比例。假說𝑇𝑅𝑖 為 transparent RS i relay link 之頻寬需求，而𝑁𝑅𝑖 為 non-transparent RS i relay link 之頻寬需求。. 𝑂𝑅𝑍𝑃𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑁𝑅1 + 𝑁𝑅3 + 𝑁𝑅5 + ⋯ + 𝑇𝑅1 + 𝑇𝑅3 + 𝑇𝑅5 + ⋯ (2) 在(2)中 ORZProportion 表示 Odd 標號的基地台，亦以相同方式計算出 Even 標號的 ERZProportion，再根據三項頻寬累計的評估去決定 subframe 中 access zone 及 relay zone (分為 odd 與 even)分割比例。圖 2-4 顯示動態調整的傳輸區塊長短在網路傳輸中能達到較高的 traffic admittance。. 8.

(18) 圖 2-1 Adaptive Zone vs. Fixed Zone Allocation [6]. 政治大. 立. [6]中除了計算各 MS、RS 分別在 access link 與 relay link 的頻寬需求，依比. ‧ 國. 學. 例區分 access zone 及 relay zone 大小，並觀察網路的穩定程度調整 scheduling 的. ‧. 時間，設定一區間 SP (Scheduling Period)上下限，依網路傳輸速率升減調整，調整的方式為當達到設定門檻及兩倍增加/減少 SP 的區間。但當網路不穩定時，資. y. Nat. io. sit. 源介於門檻值附近變動，觀察前幾個 frame 進而動態調整 SP 的方式會造成反覆. n. al. er. 調整的動作過多變成系統負擔。. Ch. engchi. 9. i n U. v.

(19) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. 圖 2-2 Example of Wasting Resources in IEEE 802.16j System [10]. Baek 等在[10]中也表示同樣看法，認為固定的 access zone 及 relay zone 大小. al. n. v i n 無法有效利用網路效能。作者指出固定配置的 access zone 中所浪費的頻寬，如 Ch engchi U. 圖 2-2 中所顯示，在各基地台之間因為固定 access zone 大小，導致 RS1、RS2、 RS3 三個基地台都有頻寬的浪費。在[10]中，作者以 access link 前一個 hop 為 relay link，提出以前一次 relay zone 去估計下一個 frame 的 access zone 的算式。亦即在同一個基地台中，於 t frame 的 relay 傳輸量會等同於在𝑡 + 1 frame 的 access 傳輸量，因而導出下列公式，. 𝑇𝑎 (𝑁, 𝑡 + 1) =. 𝑅𝑟 (𝑁, 𝑡) × *𝑇𝑟 (𝑁, 𝑡) + 𝑇𝑟𝑒𝑇𝑋 (𝑁, 𝑡)+ + 𝑇𝐵𝑢𝑓𝑓 (𝑁, 𝑡 + 1) ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑅𝑎 (𝑁, 𝑡 + 1) (3). 上式中，N 為基地台的編號，BS 編為 0，RS 編為 1,2,3…，𝑅𝑟 (𝑁, 𝑡)為基地台 N 10.

(20) 在 t frame 的 relay link 的 throughput，Ta (N, t + 1)表示在t + 1這個 frame 中基地台 N 所估計的 access zone 長度，TreTX (N, t)為在傳輸過程中發生錯誤需要重傳的 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 時間，R a (N, t + 1)為RSN − MS間的帄均 throughput，算式最後的TBuff (N, t + 1)則是在t + 1 frame 中可能產生且暫存於 buffer 中的 traffic。 [10]在 scheduling 的部分分為 BS 及 RS 兩部分，BS 中的 scheduling 首先分配 relay zone 的大小並計算各個 RS 所需的 relay 時間，接著透過上述式子計算出各 RS 需要傳輸資料給 MS 的 access 時間，接著依所需時間長短，較短的優先排序，再將 RS 中需要最長的Ta (N, t + 1)設為下一個 frame 預設的 access zone，直. 治政大有需要重傳時，會告知上一層的 BS 重傳資訊並比較此時的調變與安排重傳時的立. 到有更長的 access zone 取代。RS scheduling 的部分則著重在重傳的機制上，當. 調變，選擇較好的調變及確定是否能達到資料傳輸的需求。. ‧ 國. 學 ‧. Multihop 的網路環境中流量需求變動很大，傳統固定分配 access zone 及. y. Nat. relay zone 的方法無法有效利用頻寬。在[6][10]中，都是動態地選擇最大的 access. er. io. sit. link 頻寬需求作為 access zone。雖然以動態的方式配置 zone 的大小能減少頻寬浪費，但這樣的作法在眾多轉傳基地台中若各自底下的 traffic 需求懸殊時仍然會. al. n. v i n 造成有些 RS 需要等待最長的C access zone，導致 access 的頻寬浪費，舉例來說， hengchi U 在一個 centralized 的 MR 網路中，BS 底下有三個 RS，若 BS 底下所需的 access. 頻寬為 20ms，RS 所需 access 頻寬時間的長度分別為 10ms、5ms、3ms，則會有一個 RS 最多等待 17ms 的時間導致頻寬的浪費。因此如果能使每個基地台在 access zone 中沒有浪費太多頻寬，就可提升網路頻寬的使用率，改進整體效能。. Wang[9]根據 QoS 中等級較高的即時性封包做了優先權的調整，提出一套 Real-Time-service-based Distributed Scheduling (RTDS)的排程機制，目的在於減低 BS 的負擔，所設計的機制會套用在 RS 上。依據 QoS 等級加強即時性封包的服. 11.

(21) 務連線，利用不同等級封包的 delay 限制提升優先傳輸的先後順序或考量公帄問題調整、降低封包傳送的先後順序，整個 RTDS 架構如圖 2-3，主要是計算服務 delay 限制及分配優先順序，再依系統資源去分配頻寬。. 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 圖 2-3 RTDS 架構圖 [9]. y. Nat. n. al. er. io. 先：. sit. 在[9]中，定義一個優先權等級的算式供資源分配時去判斷哪一個連線優. 𝑃𝑖𝑇. C =h. 𝑃𝑖𝐼. +. 𝑃𝑖𝐷. +. 𝑃𝑖𝐶. engchi. i 𝐹 −U𝑃𝑖n. v. (4). i 為連線的編號，𝑃𝑖𝑇 為最終計算出的優先順序等級，𝑃𝑖𝐼 是起始服務類別的級別， UGS 為 5、ertPS 為 4、rtPS 為 3、nrtPS 為 2、BE 為 1；𝑃𝑖𝐷 表示可以承受的等待程度，𝑃𝑖𝐷 越低表示服務越不急迫，還可容許較多的等待時間；𝑃𝑖𝐶 表示同類別的 i 連線中 critical packet 的比例，而 critical packet 在這篇中定義為當封包剩餘的等待時間小於一個 frame 的時間，即認定為 critical packet，如下式所示：. 𝜔𝑖 − 𝑇 𝑊 ≤ 𝑇 𝐹 (5) 12.

(22) 𝜔𝑖 為 i 連線類別的 delay 限制，𝑇 𝑊 是封包已等待的時間，𝑇 𝐹 是一個 frame 的長度， delay 之關係如圖 2-4。𝑃𝑖𝐹 為一個公帄係數，用來維持封包順序調整的公帄性封包時間，最後計算出𝑃𝑖𝑇 ，並依照𝑃𝑖𝑇 的優先順序配置頻寬給該連線。. 政治大. 圖 2-4 Packet Delay Time 關係圖 [9]. 立. 在[9]中提出一套計算 link 優先等級的方法，在分配 access zone 時可以有效. ‧ 國. 學. 安排較急迫的連線，避免太多過期的無效封包，減少頻寬的浪費。當連線之間沒. ‧. 有干擾時，RTDS 可以發揮很好的 delay 控制，但當 RS 佈建密集時，連線之間. y. Nat. 的距離變得很近彼此間會產生干擾，即使把急迫封包提高優先權仍會因為發生碰. n. er. io. al. sit. 撞而重傳，最後仍會造成效率低落。. 2.2 Interference. Ch. engchi. i n U. v. 在[7]中，根據[11]在各個 hop 的連線上以 odd、even 間隔編號，分別在分配 odd 或 even 的傳輸時間中傳輸，降低相近連線的彼此干擾。[7]中提出一個找尋可用 slot 的演算法，而這些 slot 所用的 subchannel 或時間皆不會互相干擾，提出的排程分為兩階段。第一階段依照 link 需求給予最大頻寬(maximum bandwidth)，但在超過最小需求頻寬(minimum bandwidth requirement)的 slot 上做標記，這些標記的 slot 稱為 extra slot，在分配每個 link 需求時，當系統無法給予最小頻寬需求 (minimum bandwidth requirement)時，即執行第二階段去找出之前做上標記的. 13.

(23) extra slot，將這些 slot 拿來使用。這樣的做法可以確保可用頻寬使用最大化，避免頻寬的浪費，不過在該篇中並未明確說明如何找尋沒有互相干擾的 slot。. 立. 政治大. Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. 圖 2-5 Example of partner selection [12]. n. al. er. io. [12]提到當 MS 訊號不良、收訊不佳時可以透過旁邊訊號較好的 MS 幫忙轉. i n U. v. 傳資料。在此會遇到兩個問題，第一個是何時該選幫忙的 MS，第二是如何選擇。. Ch. engchi. 當系統中的錯誤偵測計算出此一 link 封包傳遞錯誤的機率很高時，便向上層通知 RS 或 BS 需要重新規畫到目的地 MS 的路徑。此篇中提出一個估算 delay 的方法， 𝐷𝑝 = 𝐷𝑒 + 𝐷𝑐 。𝐷𝑝 為整條路徑的 delay，𝐷𝑒 為 MR-BS 傳送到幫忙轉送的 MS 的 delay，𝐷𝑐 為目的地 MS 與幫忙之 MS 間的 delay，如圖 2-5 所示。因為鄰近可以幫忙的 MS 可能不只一個，所以作者根據 Weighted Moving Average (WMA)的方法計算𝐷𝑐 ，如下式：. 𝑊𝑀𝐴𝐷𝑐. ∑𝑀−𝑛+1 (𝐷𝐶𝑖 × 𝑊𝑀−𝑖+1 ) 𝑖=𝑀 = ∑𝑛𝑖=1(𝑊𝑖 ) (6) 14.

(24) 𝑊𝑖 為𝐷𝐶𝑖 的權重，M 表示最近的一筆觀察的時間標記，往回統計最新的 n 筆𝐷𝑐 資料分別乘上權重再取帄均值。作者利用 WMA 計算出每個可以幫助 MS 的鄰居的 𝐷𝑐 ，最後選擇擁有最小𝐷𝑝 的 MS 作為幫忙轉傳的夥伴。因為偵測了原本可能會產生錯誤的連線而選擇別的路線，可以有效降低封包錯誤率，避免重傳也降低了 delay。但是利用 MS 轉傳也增加了 MS 的耗電，也有檔案隱私的問題，此外 MS 上的協定也需要做修改，在 802.16j 的規格書上 MS 需可沿用 802.16e 之規範，該篇修改 MS 是比較複雜的做法。. 2.3 Quality of Service. 立. 政治大. IEEE 802.16 的主要優點之一，是能提供服務品質（Quality of Service，簡稱. ‧ 國. 學. 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. y. Nat. 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. er. io. sit. 連線或每一基地台進行頻寬要求及頻寬配置。IEEE 802.16j 標準定義是延續 IEEE 802.16-2004 標準的，所以並無差異。. al. n. v i n 在標準定義中，Service flow 管理控制的基本單位。一個 service C 是用來做 h e n gQoS h c i U. flow 是媒介存取控制層用來進行單向的封包傳送。在上行方面是由 MS 進行封包傳送，在下行方面是由 MR-BS 進行封包傳送。每一個 service flow 的特性是由 QoS 的參數所決定，這些參數包括：延遲（latency）、抖動（jitter）、吞吐量（throughput）、最小保留速率（minimum reserved traffic rate）和最大維持速率（maximum sustained traffic rate）。每個 service flow 皆經由傳送 Dynamic Service Addition （DSA）、Dynamic Service Change （DSC）和 Dynamic Service Deletion （DSD）訊息的方式，進行建立、改變和刪除，此可分別由 MS 或是 BS 發起，有效管理 QoS 的運作。上行方向，MS 發起 DSA-REQ 請求連線。MS 發出. 15.

(25) DSA-REQ（Dynamic Service Addition Request）訊息給 MR-BS，MR-BS 收到請求必頇先回覆 DSX-RVD （DSX Received）告知 MS 等待 MR-BS 回覆 DSA-RSP （DSA Response），當 MS 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，MS 收到 DSA-REQ 可直接回復 DSA-RSP 給 MR-BS，接著 MR-BS 回覆 ACK 給 MS。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-6 IEEE 802.16 QoS 架構 [13]. 但 WiMAX 並未在排程上對 QoS 有詳細的規定，僅對於不同 QoS 等級規範一些參數的要求，如表 2-1。在[13]篇中作者提出一個在 MR 網路中具 QoS 的排程架構，可以保證不同 QoS 等級應用的連線需求。IEEE 802.16 的 QoS 架構如圖 2-6，在允許連線進入後即進入不同等級的連線佇列中等待傳送。而在該篇中，由於 IEEE 802.16j 多了一個 RS，在架構上作者做了些修改，提出 SQSA (Scalable QoS Scheduling Architecture)的架構，在該架構中定義了許多元件與模組，其中比. 16.

(26) 較特別的 Zone Classifier，由於在 MR 網路架構中多了 Relay 的部分，在子訊框中會先分配至不同的 Zone，之後再依各種不同等級的佇列傳送封包，整體架構如圖 2-7。. QoS UGS. rtPS. ertPS. nrtPS. BE. V. V. V. V. V. V. V. V. Characteristics. Max latency. V. Tolerated jitter. V. Dynamic. periodically. size. ‧. ‧ 國. Fixed size. Traffic priority. V. V. V. V. io. al Not allowed. based polling. n. Contention. Regular V. V. V. V. Allowed. Allowed. er. Periodic. Nat. Polling interval. BW request. 學. Grant interval. 立. 政V 治 V大 V. y. Min BW. sit. Max BW. Not. i n U. Allowed. C hallowed engchi. v. 表 2-1 QoS 各項需求參數[13]. 在[13]中，將各 QoS 中的連線加以分配權重調整優先順序，在很多排程的研究中都會加入權重的分配，無線網路的狀況是隨時在變動的，所以隨時考慮更急迫的封包是十分重要的，. 17.

(27) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-7 SQSA 系統架構圖[13]. 2.4 Related Work 在本節中，我們介紹一些在排程方面的相關研究，包括頻寬請求、封包優先順序、或是壅塞控管等許多跟排程有關的研究都可以有效改善網路效能，但也存在一些取捨。在[8]中，MR-BS 透過定期 polling 分配 RS、MS 中 real time 服務的頻寬需求。作者定義一動態調整 polling 區間的公式，當沒有頻寬需求時就拉長 polling 的間 18.

(28) 隔時間。. 𝑇𝑖 = {. 𝑇𝑖,𝑚𝑖𝑛 𝑛−𝑁𝑖. 𝑚𝑖𝑛{2. × 𝑇𝑖,𝑚𝑖𝑛 , 𝑇𝑖,𝑚𝑎𝑥 }. 𝑛 = 1, 2, 3, … , 𝑁𝑖 𝑛 > 𝑁𝑖 (7). 𝑁𝑖 為 RS poll 第 i 個 MS 沒有頻寬需求的次數，𝑇𝑖 為 poll MS 的間隔，𝑇0 是 BS poll RS 的間隔時間，𝑁0 為 poll RS 但沒有頻寬需求的次數，n 表示在 idle 區間之後 poll 沒有頻寬需求的次數。圖 2-8 為頻寬需求的流程，BS 每𝑇0 間隔 poll RS 一次， RS 每𝑇𝑖 poll MS 一次，當 poll RS 超過𝑁0 、poll MS 超過𝑁𝑖 皆無頻寬需求時便開. 治政大 Polling 的方式可以減少競爭所產生的碰撞，但如果沒有頻寬需求，MR-BS 立. 始調整 polling 的間隔。. 每次去 poll 底下的 RS 也會造成頻寬浪費。此外，在變動的網路狀況，poll 的間. ‧ 國. 學. 格無法及時反應就有可能造成封包的延遲。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 19. i n U. v.

(29) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. n. al. er. io. 圖 2-8 Bandwidth Request Algorithm in WiMAX.[8]. Ch. engchi. i n U. v. 在頻寬請求的研究中，除了以 polling 的方式主動詢問需求外，另一個方式就是透過 contention 競爭，但許多頻寬需求同時發送就會造成碰撞，就要重新發送頻寬請求，這樣的狀況不僅浪費頻寬也會讓 delay 變長，因此也有研究是針對頻寬請求的機制作修改。. Chu[14]發現 MS 在請求頻寬時會產生 Ranging Code，當很多的 MS 在競爭頻寬時，會因為同時選取到相同的 Ranging Code 而產生碰撞。因此作者提出在請求頻寬時發出 n 個 Ranging Code 以增加頻寬請求的成功率，降低之後 back off 機制使 MS 重新選擇 Ranging code 所浪費的時間。但當網路負載很重時，單一個 20.

(30) MS 發出過多的 Ranging Code 會加重網路的負擔，因為即使有一個 Ranging Code 沒有碰撞而使 MS 頻寬請求成功，但其餘發生的碰撞就是在浪費網路的頻寬。因此增加 Ranging Code 的數量是需要考量的，根據網路狀況選擇 n 的大小能有效請求頻寬且不至於造成太多的網路負擔。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 21. i n U. v.

(31) 3. 第三章方法論我們將於本章說明允入控制機制，如未經過篩選可能造成頻寬評估不夠準確，以及 MR 網路中 access zone 大小的評估，盡可能使每個基地台能充分利用 access zone 的頻寬不致浪費。最後評估網路傳送時產生的干擾，由於 WiMAX 有動態適應調變的機制，因此透過分群盡可能不影響到通道品質，維持原本高 data rate 的調變。. 立. 政治大. ‧ 國. 通道品質不佳的連線允入控制. ‧. 3.1.1.. 學. 3.1 問題分析. y. Nat. sit. 無線網路中基地台傳輸前會量測通道品質，再根據通道品質使用不同等級的. n. al. er. io. 調變。在 WIMAX 中 MS 會在進入網路時量測 CINR 值，再依據這些量測值使用. i n U. v. 不同的調變。一般排程在做允入控制時僅考慮系統剩餘頻寬，而沒有考慮通道品. Ch. engchi. 質，一些通道品質差的連線封包傳送的錯誤率可能很高，不斷地重傳會因造成過高的延遲變成無效封包而浪費頻寬。另一個考量是當通道品質很好，使用較高速率的 data rate，相同大小的資料量就可以用較少的時間傳輸完。此外，系統如果以較高的調變評估頻寬，系統容量將被高估，若允許過多的連線就會造成網路壅塞。因此在允入控制時查看通道品質是否要允許通道品質差的連線需求是一個改善網路效能的考量。. 22.

(32) MCS level. Coding rate. Required CINR(dB). 1/12. -3.95. 1/6. -1.65. 1/3. 1.5. 1/2. 4.3. 2/3. 7.95. 1/2. 9.3. 2/3. 13.1. QPSK. 16QAM. 立. 64QAM. 政 3/4 治大 2/3. ‧ 國. 18.45. 學. 5/6. 15.8. 24.8. 表 3-1 MCS Table for Adaptive Modulation & Coding. ‧. 動態配置的 access zone 仍存在頻寬浪費. sit. y. Nat. 3.1.2.. n. al. er. io. 固定大小的分配 frame 無法有效適應網路需求，許多研究依據網路使用狀況. i n U. v. 動態調整 relay 及 access zone 的大小雖已能提高頻寬使用效率，但當各個基地台. Ch. engchi. 底下 access link 所需比例懸殊時，前述方法[6][10]取最大頻寬需求作為 access zone 仍會造成需求較少的基地台因為等待而浪費頻寬，如圖 3-1 所示，斜線部分為當基地站需求懸殊時頻寬的浪費。圖中 RS2 需等待、浪費最多時間。所以在封包排程及連線允諾控制時需要協助配置 Zone 的大小來降低浪費，而如何選擇 access zone 的大小，何時應該調整，是我們要研究的一個問題。. 23.

(33) BS. Access Zone. RS1 RS2 RS3. 圖 3-1 Example of wasted bandwidth in Access Zone. 3.1.3.. 所有允入連線的傳送優先順序. 治政大通過允入控制的連線的下一階段就是要做排程。由於每個 connection 分屬於立. 不同的 service flow，不同的 service flow 有不同的 QoS 等級，每個 QoS 等級都. ‧ 國. 學. 有不同的參數規定，有些即時性的連線需要在限定的 delay constraint 時間內完成，. ‧. 否則就算傳送到目的地也是無效封包。因此當 BS 收到所有的連線需求時，頇根. y. Nat. 據 QoS 等級的參數及通道品質來安排連線傳輸的先後順序以避免有安排傳送卻. n. er. io. al. sit. 因過度延遲而變成無效封包。. 3.1.4.. C. hengchi MR 環境中的傳輸干擾. i n U. v. 在 MR 的環境中多加入了 Relay Station 以加強 BS 資料傳輸容量及改善市區中大樓的遮蔽問題。但由於基地台佈建變得相對密集，不同的基地台在同一時間的傳輸，即便是不同的頻率也會造成彼此間的干擾，增加封包接收的錯誤率，同時也降低了裝置接收資料時量測調變的 CINR 值，使傳輸時無法用較高速的調變，資料傳輸速率也變得更低，更糟的情況會造成封包嚴重碰撞，需要不斷重傳使網路壅塞、效能低落。因此在設計排程時應該將不會干擾的連線分群同時傳送，且避開會干擾的連. 24.

(34) 線以有效提升 MR 中網路的傳輸效率。但無線網路環境變動相當快，幾乎沒有一個演算法可以最佳化連線的分組，我們只能修改調整一些參數去逼近最佳狀況，降低干擾所造成的影響。. 3.1.5.. MR 值中維持 QoS 的保證. WiMAX 在 802.16j 中定出五種不同等級的 QoS，依優先權高低分別為 UGS (Unsolicited Grant Service)、ertPS (Extended Real-Time Variable Rate Service)、rtPS. 治政大 QoS 類別的規範，但僅 BE (Best Efforts Service)。雖然 WiMAX 規格中有制定各立. (Real Time-Variable Rate Service)、nrtPS (Non-Real Time Variable Rate Service)及. 規定頇滿足那些條件，實際的排程還是交給製造廠商設計。. ‧ 國. 學. 也因為有了五種封包等級的規範，我們在設計排程演算法時就可以將不同服. ‧. 務連線納入考量。在 MR 的環境中，經過多個 hop 的連線必定會延長封包的傳送. er. io. sit. y. Nat. 時間，我們可以參考各 QoS 的參數加以調整以符合服務需求。. 綜合以上問題我們首先在連線允入控制多考慮通道品質，篩選出使用較高調. al. n. v i n 變的 MS，以增加封包傳送效率。而在分配 access zone 時應將即時性服務與非即 Ch engchi U. 時性服務分開計算，降低各基地台 access zone 中的頻寬浪費，才可有效提升頻寬使用率及網路整體的 throughput。最後在基於 WiMAX 規範的 QoS 保證中，我們不希望因為干擾而使原本評估的路徑及頻寬配置不如預期，因而提出分群的概念，拉大同時傳送資料基地台的距離，避免干擾等碰撞問題。. 25.

(35) 3.2 研究方法本研究的目的是希望每個連線都能盡量用較好的資料傳輸率去傳送資料，同時不要使 MR-BS 下所屬的各個 RS 基地台中的 access zone 頻寬使用效率過低；因為在使用中央控管排程的一個 MR-BS 範圍中，MR-BS 會決定 access zone 的時間長度給所有的 RS，但由於每個 RS 下屬的頻寬需求大小不同，需求少的 RS 分配到的頻寬將沒有使用，且需等待其餘 RS 傳輸資料所花的時間，因此如果能選取適當的 access zone 使每個 RS 利用頻寬的比例的差異縮小，減少那些配置頻. 治政大提出一個將通道品質及基地台調變納入允入控制的考量參數，選擇較高 data rate 立寬卻沒有使用的等待時間，就可以提升頻寬的使用率，增進系統效能。首先我們. 調變的連線優先允入，再從中調整各基地台 access 傳輸所需頻寬的差距。. ‧ 國. 學. 3.2.1. 允入控制中連線請求的限制. ‧. y. Nat. 每個 MS 在進入網路時會做 ranging，透過 ranging 可以知道通道的品質而使. er. io. sit. 用相對應的調變等級。而當 MS 向 BS/RS 發出頻寬請求時，基地台除了先判斷連線的 QoS 等級與系統頻寬外，再多考慮調變等級，由調變較佳的 MS 開始選. al. n. v i n 擇允入，由於傳統的允入控制是計算各個 QoS 連線所需頻寬，一旦選取了調變 Ch engchi U 較優的連線，在使用相同數量的 sub-channel 下，較高的 data rate 可以在同樣的時間傳送更多的資料量。. 我們以保留最小頻寬做控制的方法加上調變的篩選，此優點是我們可以保留最小保留頻寬法在各種連線上有 QoS 保證的優點，並多考量調變的優點，因為在相同時間內，使用較好的調變做傳輸有較高的 data rate，能產生更高的 throughput。在允入控制的選擇上我們優先挑選較高速的調變，這會使同樣的 sub-channel 可以發揮更好的效率。首先計算各 QoS 等級的系統剩餘頻寬，當要求資源的連線進入，系統會檢查剩餘頻寬是否足以供給此連線，如果不足則拒絕. 26.

(36) 連線進入。除了最小頻寬保留機制外我們再加入一個判斷，讓使用較好調變的連線有比較高的優先權進入系統。我們依舊照 QoS 等級保留頻寬，因為是中央控管的排程，我們分別記錄兩種不同調變的需求，有較高調變的連線優先使用頻寬，而 UGS 連線類別會定期給予頻寬。以下定義其他類別服務的表示式及虛擬碼： 𝑃𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠 : Preserved Bandwidth of erPSs service type 𝑃𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠 : Preserved Bandwidth of rtPS service type 𝑃𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠 : Preserved Bandwidth of nrtPS service type 𝑄𝑃𝑆𝐾 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠 : Used Bandwidth of ertPS service type with QPSK. 政治大. 𝑄𝐴𝑀 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠 : Used Bandwidth of ertPS service type with QAM. 立. 𝑄𝑃𝑆𝐾 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠 : Used Bandwidth of ertPS service type with QPSK. ‧. ‧ 國. 學. 𝑄𝐴𝑀 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠 : Used Bandwidth of ertPS service type with QAM 𝑄𝑃𝑆𝐾 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠 : Used Bandwidth of nrtPS service type with QPSK. y. Nat. er. io. 𝑄𝑃𝑆𝐾 𝑄𝐴𝑀 𝑃𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠 ≥ 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠 + 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠. n. al. 𝑄𝑃𝑆𝐾 𝑄𝐴𝑀 𝑃𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠 ≥ 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠 + 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠. sit. 𝑄𝐴𝑀 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠 : Used Bandwidth of nrtPS service type with QAM. Ch. engchi. i n U. v. 𝑄𝑃𝑆𝐾 𝑄𝐴𝑀 𝑃𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠 ≥ 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠 + 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠. 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠 𝑠𝑒𝑡 = *𝑄𝑃𝑆𝐾, 16𝑄𝐴𝑀, 64𝑄𝐴𝑀+. 我們在每一個 CAC 的區間內，將不同 QoS 等級的需求分別記錄，最後再依調變速度計算優先順序，調變類別分為兩類，QPSK 及 QAM，目的是希望允入的連線是用較高的速度傳送，根據這樣的定義，提出 modulation-aware 的允入控制演算法。. 27.

(37) Modulation-aware CAC: Based on preserve bandwidth CAC. When a link requests bandwidth If modulation is QPSK temporary store link request in 𝑈𝐵𝑄𝑃𝑆𝐾 // temporary store link request, // if there is higher link request which use // higher modulation , it will be prempted. 政治大 If there is not enough bandwidth in 𝑃𝐵 立. If modulation is QAM. 𝑄𝐴𝑀. 學. ‧ 國. If 𝑈𝐵𝑄𝑃𝑆𝐾 in the same QoS type is enough reject original QPSK link request,. // prempt low modulation link. ‧. accept this link request. sit. y. Nat. Else. io. al. n. Else. er. reject this link request. Ch. accept this link request End. 3.2.2. engchi. i n U. v. 動態調整 non-real time 頻寬需求以降低各基地台頻寬使用差距. 在 WiMAX 公用網路頻寬需求中，一般的網頁瀏覽、收發 e-mail 等應用是相當普遍的網路服務，這類的服務屬於 non-real time 的類別，由於這類的封包類型可以有較高的 delay 容忍度，因此我們調整這類的封包需求來帄衡每個基地台 access 傳輸的需求。在選定 access zone 大小前，我們定義一些符號來計算 access zone 的大小，環境假定為一個 BS，數個 RS，排程的機制為 MR-BS 中央控管：. 28.

(38) 𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑒 𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠 𝑠𝑒𝑡 = *𝑈𝐺𝑆, 𝑒𝑟𝑡𝑃𝑆, 𝑟𝑡𝑃𝑆, 𝑛𝑟𝑡𝑃𝑆, 𝐵𝐸+ 𝐵𝑅𝑟𝑡 (𝑖):在基地台 i 上 real time service 頻寬需求。 𝐵𝑅𝑛𝑟𝑡 (𝑖):在基地台 i 上 non-real time service 頻寬需求。 𝑖 𝑀𝑆𝑈𝐺𝑆 (k):在基地台 i 中第 k 個 MS 中 UGS 連線頻寬。 𝑖 𝑀𝑆𝑒𝑟𝑡𝑃𝑆 (k):在基地台 i 中第 k 個 MS 中 ertPS 連線頻寬。 𝑖 𝑀𝑆𝑟𝑡𝑃𝑆 (k):在基地台 i 中第 k 個 MS 中 rtPS 連線頻寬。 𝑖 𝑀𝑆𝑛𝑟𝑡𝑃𝑆 (k):在基地台 i 中第 k 個 MS 中 nrtPS 連線頻寬。 𝑖 𝑀𝑆𝐵𝐸 (k):在基地台 i 中第 k 個 MS 中 BE 連線頻寬。. 𝑀𝑜𝑑𝑢(𝑖):基地台 i 中連線使用最差調變等級的 date rate。. 治政假設系統中有 n 個 RS，可以整理成下列關係式：大立 𝑛. ‧. 𝑛. ‧ 國. 𝑘=0. 學. 𝑖 𝑖 𝑖 (k) + 𝑀𝑆𝑒𝑟𝑡𝑃𝑆 (k) + 𝑀𝑆𝑟𝑡𝑃𝑆 (k)) 𝐵𝑅𝑟𝑡 (𝑖) = ∑(𝑀𝑆𝑈𝐺𝑆. 𝑖 𝑖 (k)) (k) + 𝑀𝑆𝐵𝐸 𝐵𝑅𝑛𝑟𝑡 (𝑖) = ∑(𝑀𝑆𝑛𝑟𝑡𝑃𝑆. sit. io. 𝐵𝑅𝑟𝑡 (0) 𝐵𝑅𝑟𝑡 (1) 𝐵𝑅𝑟𝑡 (2) 𝐵𝑅𝑟𝑡 (𝑛) , , ,… } 𝑀𝑜𝑑𝑢(0) 𝑀𝑜𝑑𝑢(1) 𝑀𝑜𝑑𝑢(2) 𝑀𝑜𝑑𝑢(𝑛). al. er. AccessZone = max {. y. Nat. 𝑘=0. v. n. 從所有 BS/RS 中找出最大的𝐵𝑅𝑟𝑡 (𝑖)作為預定 access zone 長度，接著再分配其餘. Ch. engchi. i n U. 基地台的剩餘頻寬(非最大的)給 non-real time 的需求，即𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑍𝑜𝑛𝑒 −. 𝐵𝑅𝑟𝑡 (𝑖) 𝑀𝑜𝑑𝑢(𝑖). access zone 中剩餘的長度，盡量使各基地台的 access 差距縮小。詳細流程的虛擬碼如下： Balancing Scheduling of Access Zone Algorithm : Consider the connections which are already accepted by system. rtQueue(i) : real time service bandwidth request of Station i nrtQueue(i): non-real time service bandwidth request of Station i Access(i): allocated bandwidth in access zone of Station i For BS and each RS 29.

(39) Collect bandwidth requests from every MS according to service type If max rtQueue(i) not zero. //use real time service for access zone. AccessZone = max rtQueue(i) in all BS/RS access request Else AccessZone= max nrtQueue(i) While( 𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠(𝑖) 𝑛𝑜𝑡 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑒𝑑𝑠 𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑍𝑜𝑛𝑒 − 𝐵𝑅𝑟𝑡 (𝑖) ) Station i allocates 𝐵𝑅𝑛𝑟𝑡 (𝑖) from nrtQueue(i) for 𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠(𝑖) update access allocation in appropriate DL MAP. 政治大. End. 立. 學. ‧ 國. 接著我們比較 access zone 頻寬的使用率，彈性配置 non real time service 能使每個 RS 的 access zone 有比較好的頻寬利用率。. 𝑢𝑠𝑒𝑑 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ 𝑖𝑛 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠 𝑧𝑜𝑛𝑒 𝑠𝑢𝑚 𝑜𝑓 𝑎𝑙𝑙 𝑅𝑆 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠 𝑧𝑜𝑛𝑒. ‧. Access Utilization =. io. sit. y. Nat 傳輸時的干擾感知. n. al. er. 3.2.3. Ch. (8). engchi. i n U. v. 由於動態的網路中 MS 可能隨時在移動，跟 BS 的距離忽遠忽近，甚至有可能重新進入 RS 的訊號範圍，因此通道品質隨時都在變動。在 WiMAX 裡的調變技術是可以動態調整的(Adaptive Modulation Coding)，透過每段時間的 ranging 可以偵測出連線間的通道品質，進而調升或調降調變等級。在 WiMAX 的調變中，不同調變選擇是依距離作調整，換句話說當與基地台距離較近時可以用較高速的調變傳送資料，而這也正是 802.16j 的優點之一。在 BS 訊號涵蓋範圍內增加 Relay 的基地台，可以有效縮短 MS 與傳輸基地台間的距離，讓資料可以用較好的 data rate 傳輸，但也因為 Relay 中繼站密集佈建雖提升了資料傳輸的 data rate，但嚴重的干擾可能會使資料傳輸的成功率降低，太近的 MS 使用相同的頻率傳送會產 30.

(40) 生嚴重的碰撞，造成資料重傳，不僅會使 delay 變長，也可能使網路陷入壅塞。. 當傳輸間彼此的距離太近就會產生干擾而使資料傳輸錯誤或不完全，如圖 3-2 中 MS1 與 MS2 在傳輸時就可能會互相干擾。我們提出一個分群方法，是根據 WiMAX 各種調變傳輸距離的特性將 BS 下第一層的 RS 分群並編時區號碼，編號方式如下：首先 BS 會知道共有幾個 RS 在其下第一層訊號範圍內。由於間隔最小從 1 開始，因此若 RS 為奇數個則至少分三組，若為偶數則分兩組。分組方式為以 BS 北邊最近之 RS 開始每間隔一個基地台編時區號碼，以圖 3-2 為例，. 治政大將編為第三時區。接著 BS BS 基地台下屬 RS 基地台為奇數個，則最後一個 RS 立 BS、RS1、RS3、RS5 會編為同一時區，RS2、RS4、RS6 會編為第二時區；若. 依照各頻寬請求分入不同時區將訊息寫於 MAP 中廣播送出。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 31. i n U. v.

(41) MS1 MS2. RS1. RS6. RS2. MS4. 立. ‧ 國. 學. RS5. y. ‧. Nat. io. n. al. sit. RS4. er. RS3. 政治大. MR-BS. Ch. i n U. 圖 3-2 傳輸干擾示意圖. engchi. v. MS3. 當為了提升更高的網路容量，RS 的佈建會變得更密集，此時因為距離拉近，間隔一個 RS 中繼站仍可能因距離太近而產生碰撞重傳，因此我們在傳輸中設定一個 retransmission ratio，當系統感知到重傳比例很高時，就加大時區的 interval，而 retransmission ratio 降到可以接受的區間再將分區的 interval 縮小，減少分群的群數。我們將分群流程表示為虛擬碼如下:. Time Zone Grouping: 𝑅𝑆𝑖 : Relay Station i under Base Station in counterclockwise order 32.

(42) 𝑅𝑋 =. 𝑜𝑐𝑐𝑢𝑟𝑒𝑑 𝑟𝑒𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 𝑙𝑖𝑛𝑘𝑠 𝑎𝑙𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 𝑙𝑖𝑛𝑘𝑠. Interval is set to 1 at beginning. ,為 retransmission ratio. // RS grouping interval is set to 1. TZG (RS set , interval) // 依照 interval 大小逆時針開始標記 RS 時區 1. Label RS’s time zone label in counterclockwise with interval to the first RS // 選取未分區的 RS(上一分區中第一個 RS 旁)，使用新的時區開始編號。. 政治大 RS (use new time zone 立 label) in every interval.. 2. Choose an unlabeled RS (next to the first RS in last group), and start labeling. ‧. TZG(RS set, 1). ‧ 國. End TZG. 學. 3. Repeat step 1 and step 2 until all RSs have been grouped. //initialization. y. sit. // check RX range. n. al. er. io. If RX>RX_upper. Nat. In each scheduling period, check:. TZG(RS set, interval+1) Else if RX<RX_lower. Ch. engchi. i n U. v. TZG(RS set, interval-1) Do bandwidth allocation in Time Zone. 3.3 系統架構與流程我們對訊框及排程改進考量在一個 BS 及多個 RS 的網路中提升效能的方法。整個架構分為三部分，第一部分是連線允入的篩選，我們盡可能選取傳輸距離短、高 data rate 的調變連線，這是因為密集的 RS 網路中有太多距離過長的連線反而會產生干擾，另一方面短距的調變可以有更好的資料傳送速度；第二部分是考量 33.

(43) 到密集佈建 RS 使各連線的距離因變近而產生的干擾問題。因為 WiMAX 本身有動態適應通道品質而調整的機制，而且在第一部份我們盡可能選擇高調變的連線，因此在密度高的佈建中我們必頇考慮干擾的問題。在此我們提出逆時鐘方向間隔編號，劃分 RS 時區的方式，使同一時區傳送的 RS 有較遠的距離，並在每個排程區間檢查傳輸發生重傳的比例，調整分區的多寡；最後一部分調整 frame 中 access zone 的長度差異，因為系統使用中央控管的排程方式，BS 範圍內的 RS 皆受 BS 發布的訊息管理頻寬的配置，一般動態的配置 access zone 大小雖比固定 access zone 來的有效率，但如果 RS 變多時，每個 RS 下的需求差異有可能差距. 治政大zone 等待時間降低。接著我務與非即時性服務頻寬的彈性配置將各 RS 的 access 立很大，導致有些 RS 要等待別的 RS 傳送完造成頻寬的浪費，我們利用即時性服. 們將系統程序及流程圖表示如下。. ‧ 國. 學. Step1 ：允入連線控制，目的在於優先允入調變較好，傳輸速率較高的連線。. ‧. 基於剩餘頻寬考量，計算各種 QoS 等級的服務需求，判斷系統是否還可以負擔. y. Nat. 此一連線，將調變低的連線暫時允入。在允入區間內如有相同 QoS 等級但調變. er. io. 所示。. sit. 等級更高的連線時，由 BS 挑選調變較好的連線以取代原本調變的連線，如圖 3-3. al. n. v i n Step2: 建立 RS 傳送時間的分群。目的在避開因為距離太近而產生的干擾。 Ch engchi U. 以 BS 正北向為起點，開始對 RS 標記時區，每個時間只有一個時區傳送資料。以設定初始 interval 為 1 為例，也就是說總共有 2 種時區。從起始 RS 逆時針開始編號，每隔一個 RS 編號為”時區 1”，回到原點時再重旁邊的 RS 開始編號”時區 2”，直到全部 RS 都編好時區。在我們的方法中限定 interval 最大為 3，也就是說最多分到 4 種時區。因為過多的時區會造成太多的 RS 為了避免干擾而等待，反而不具效益，流程如圖 3-4 所示。. 34.

(44) Check links and calculate availible bandwidth according to QoS type. Does link use QPSK modulation?. No. Link uses QAM. Yes No. No. Bandwidth enough?. Bandwidth enough?. Check if QPSK buffer is enough for preemption. Yes Yes. Yes. 政治大. Preempt bandwidth of buffer of the same modulation type. Accept link. 立. Reject link. 圖 3-3 允入控制流程圖. 學. ‧ 國. Accept this link, and temporary store in “QPSK buffer”. No. ‧. y. Nat. Step3：調整 non-real time 頻寬，目的在於減少各 RS 間 access zone 使用差距。. er. io. sit. 首先 BS 統計各分區中所有 RS 底下的 real time service 及 non-real time service 中取最大的 real time 頻寬需求的時間長度做為 access zone。如果都沒有 real time. al. n. v i n 類別的頻寬需求就取 non-real C time 頻寬需求的時間長度做為 access zone，當訂出 hengchi U access zone 後，再分配 RS 底下的 non-real time 需求至該 RS access zone 的剩餘時間，流程如圖 3-4 中藍色部分。 Step4：以重傳比例做為指標，評估是否需要重分時區。在系統中我們計算重傳比例，𝑅𝑋 =. 𝑜𝑐𝑐𝑢𝑟𝑒𝑑 𝑟𝑒𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 𝑙𝑖𝑛𝑘𝑠 𝑎𝑙𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 𝑙𝑖𝑛𝑘𝑠. ，所有發生重傳的 link. 佔全部傳輸 link 的比例，並設定一個區間。超過或過低就重新調整時區，本文中規定為 0.07< RX <0.2，透過重傳比例的感測可以得知分群是否有功效，流程如圖 3-4 中紅色部分。. 35.

(45) TZG(RS set,interval). BS collects real time/non-real time bandwidth requirements of RS. access zone=max real time BW requirement. Check all BS and RS: Max real time BW requirement = 0?. Distribute non-real time service to other stations (< access zone). No. Yes access zone= max non-real time BW requirement. 立. 政治大. ‧ 國. 學. Interval -1. Interval+1. Send out DL_MAP/UL_MAP. ‧. Nat. y. n. al. er. Interval >2?. No Check if retransmission ratio lower than RX_lower?. sit. Yes. io. Check if retransmission ratio higher than RX_upper?. No. Ch. engchi. i n U. v. Yes. No. Yes Interval >1 ?. No. Yes Send out DL_MAP/UL_MAP. End. 圖 3-4 Step3、Step4 frame scheduling and interference-aware procedure 36.

(46) 4. 第四章模擬實驗與數據分析 4.1 實驗環境參數我們的實驗將使用 NS2 2.33 模擬器，參考 LWX[15]並以 C++修改此模組加入第三章所敘述的三個改進部分與使用 TCL 撰寫環境腳本，進行模擬 IEEE802.16j 的網路傳輸，再以 awk 統計模擬輸出的 trace 檔案。實驗相關參數. 政治大. 參考[9][10]中的設定，而模擬程序是依據圖 3-4 流程做模擬，表 4-1 是模擬的參. 立. 數。. ‧ 國. 學. 我們以均勻佈點方式放置 MS，每一個 MS 中只產生一條連線，連線的類別為 UGS、ertps、rtps、nrtps、BE，五種產生的方式為帄均隨機分布，接者分別比. ‧. 較[6]中 RTDS 及[10]中動態選取最大 access zone 的效能。模擬劇本著重在不同的. sit. y. Nat. RS 數量及不同的網路負載下，觀察干擾對系統 throughput 的影響，以及連線因. io. al. n. 連線服務的效率。. er. 重傳拉長 delay 的狀況，以及依不同等級 QoS 的連線彈性配置 access zone 中的. Ch. engchi. i n U. v. Parameter. Value. Carrier frequency. 2.3GHz. System bandwidth. 10MHz. Traffic type. UGS, ertPS, rtPS, nrtPS, BE. Frame duration. 5ms. Modulation. QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Scheduling algorithm. Conventional, RTDS, Time Zone Group (TZG) 表 4-1 實驗基本參數 37.

(47) Physical Layer Parameter QPSK 1/2. 4.99 Mbps. QPSK 3/4. 7.48 Mbps. 16-QAM 1/2. 9.97 Mbps. 16-QAM 3/4. 14.96 Mbps. 64-QAM 2/3. 19.95 Mbps. 64-QAM 3/4. 22.44 Mbps. 表 4-2 實體層各調變機制的速率. 立. 4.2 模擬數據. ‧ 國. 學. 實驗一：. 政治大. ‧. 我們的方法 Time Zone Grouping (TZG)為中央控管的排程，所有管理訊息都. sit. y. Nat. 交由 BS 決定。模擬劇本中我們設定 1 個 MR-BS，250 個 MS 均勻分布在網路中，. io. er. 每個 MS 有一條服務連線，並在不同 RS 數量的狀況內，以隨機產生的 traffic type 觀察效能，而 RS 佈建在 BS 訊號的邊緣。在此環境中我們比較 throughput、delay、. al. n. v i n Ch jitter、頻寬的使用率、還有重傳發生的機率做為評量效能的指標。 engchi U. 38.

(48) System throughput vs. RS number. System throughput (Mbps). 25. 20. 15 Conventional(fixed) 10. Dynamic AccessZone TZG. 5. 0 4. 5. 政 6治 7大. 立RS number. 學. ‧ 國. 3. 圖 4-1 System throughput 與 RS 數量關係圖. 3. 23.37%. 6 7. Improvement (compare to Dynamic AccessZone). y. sit er. 10.58%. 23.66%. al. 13.62%. n. 5. io. 4. ‧. Improvement (compare to Conventional). Nat. RS numbers. 27.08%. Ch. 34.06%. engchi. i n U. v 12.06% 15.54%. 23.22% 11.10% 表 4-3 TZG 在 System throughput 效能改進比較. 圖 4-1 中，當 RS 數量為 3 (奇數)時，分區為一個基地站一區，雖分為很多區，因為 MS 數量很多，分區雖會造成延遲傳送，但因為分區避免了過多的碰撞，封包成功傳送的機率高進而提升 throughput，又因為我們優先選取高 data rate 的連線並調整 access zone 中頻寬的利用率，因此每秒可以傳送的資料量較高，頻寬使用的效率也較好。當 RS 為 4 個以上時，分區將 RS 之間的距離拉大，可以有效減少底下 RS-MS 彼此間連線的碰撞。因此在多個 RS 的環境中，當 RS 數量 39.

(49) 變得密集且沒有篩選連線的傳輸距離以及沒有分群的方法使得碰撞機率增加，造成過多重傳甚至壅塞而使效能降低。表 4-3 顯示我們的方法與傳統沒有調整的方法比較最多可以增進 34%的 throughput，與動態調整的方法相比，因為考慮了碰撞的問題，TZG 最多可以增加約 15%的效能。. Average delay time VS RS number 9 8. 政治大. 6. 立. 5. y 4. io. 3. n. al. 5. 6. 7. RS number. Ch. sit. 0. TZG Scheduling. Nat. 1. RTDS. ‧. 2. conventional. er. 3. ‧ 國. 4. 學. Average delay (ms). 7. engchi. i n U. v. 圖 4-2 Average delay 與 RS 數量關係圖. RS numbers. Improvement (compare to Conventional). Improvement (compare to Dynamic AccessZone). 3. 20.34%. 10.31%. 4. 28.81%. 20.92%. 5. 29.89%. 20.43%. 6. 43.19%. 24.27%. 7. 42.34% 21.41% 表 4-4 TZG Average delay 效能改進比較. 40.

(50) 圖 4-2 為封包帄均延遲的時間，當 RS 為奇數個的情況下，因為排列的關係使得分群至少為三群以上，因次輪流等待傳送的時間較長，相對於偶數個 RS，在最佳情況下可以兩種時區即分群完，交互等待傳送的時間不用那麼久。RTDS 因為有計算 critical 封包，亦即當 latency 限制快到時，可以提高封包傳輸的優先序而維持較低的延遲，因此可以降低過時無效封包的數量。但連線彼此間的碰撞仍會造成重傳而增加延遲時間。傳統自由競爭的傳輸模式在 RS 變得密集時 MS 傳輸的 link 彼此靠很近就會產生碰撞而使效能低落。表 4-4 顯示我們的方法可以改善傳統 delay 最多約 43%，之於 RTDS 的方法我們最多也可降低約 24%的 delay。. 治政大分群的方式將距離拉大，減少干擾可以有效降低干擾碰撞產生的重傳延遲。立. 這是因為當基地台與行動裝置變得密集，就會使傳輸彼此受到干擾，TZG 使用. ‧ 國. 學. 圖 4-3 因為 RTDS 並沒有對干擾做改進，僅與傳統沒做改良的方法比較，說. ‧. 明在 RS 數量變密集的環境中，分群傳輸可以有效降低碰撞或傳送失誤。當系統. y. Nat. 處於高負載時很多連線都會因碰撞而重傳，我們比較一般沒有分群的傳輸排程，. n. al. er. io. 能低落。. sit. 在同樣的 RS 佈建密度，太靠近的連線傳輸產生很嚴重的碰撞重傳，造成網路效. Ch. engchi. 41. i n U. v.

(51) retransmission ratio VS RS number 0.45 0.4. retransmission ratio. 0.35 0.3 0.25 0.2. conventional TZG Scheduling. 0.15 0.1 0.05 0. 立4. 3. 政治大 5 6 7 RS number. ‧ 國. 學. 圖 4-3 Retransmission ratio 與 RS 數量關係圖. ‧ sit. y. Nat 3 average jitter (ms). al. n. 3.5. er. io. Average jitter vs. RS number. Ch. 2.5. engchi. i n U. v. 2 conventional. 1.5. RTDS. 1. TZG 0.5 0 3. 4. 5. 6. 7. RS number. 圖 4-4 Average jitter 與 RS 數量關係圖 42.

(52) AccessZone Utilization vs. RS number 120%. AccessZone ultilization. 100% 80% conventional(fixed). 60%. dynamic zone. 40%. TZG. 20% 0% 3. 4. 7. 17.99%. 2.97%. y. 5.18%. sit. 29.51% 42.13%. 9.89%. a48.00% v 12.04% i l n 14.58% 50.14% Ch U e n頻寬利用效能改進比例 gchi 表 4-5 Access zone n. 6. Dynamic AccessZone). io. 5. Conventional). er. 4. Improvement (compare to. Nat. 3. Improvement (compare to. ‧. numbers. 圖 4-5 Access zone 頻寬利用率. 學. RS. ‧ 國. 立. 治 5 6 7 政大 RS number. 圖 4-4 表示當連線距離密集時，沒有適當分配傳送時間會造成嚴重的碰撞。當 RS 個數為 5 時因為碰撞比例提高，連線中的封包不定時產生碰撞重傳，拉長傳送時間，使得傳輸變得不穩定。而我們使用分群的方式有效降低碰撞的機率，降低重傳的次數，使連線有穩定的封包傳輸速率。. 圖 4-5 顯示出我們以 non-real time 的頻寬需求去帄衡每個 access zone 的頻寬差異可以提升頻寬的使用率。傳統固定大小配置 access zone 無法有效利用頻寬， 43.

(53) 產生很多等待及浪費，動態配置雖可以改善使用效率，但當 RS 數量很多時，取用最大的 access 頻寬造成與其他 RS access link 需求懸殊的機會就更高了，這也是在圖 4-5 中 RS 增多造成頻寬利用率降低的原因。. 實驗二：在這個模擬中我們觀察在較多的 RS 佈建中 real-time 服務等級連線的 delay 及 jitter。環境為 1 個 MR-BS，6 個在 MR-BS 訊號範圍中的 RS，250 個 MS 皆只. 治政大 UGS、ertPS、rtPS、nrtPS、BE 各為 50 條連線隨機分布在不同的網路位置中，立. 有一條連線並均勻分布在網路中。其中傳輸服務類別的數量比例皆為 20%，即. 模擬時間為 30000 個 frames，共 150 秒。. average UGS delay (ms). 3 2.5 2. y. sit er. al. n. 3.5. io. 4. ‧. ‧ 國. 學. 4.5. Nat. 5. Average UGS delay. Ch. engchi. i n U. v. conventional RTDS TZG Scheduling. 1.5 1 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150. simulation time (s). 圖 4-6 Average UGS delay with 6 Relay Stations. 44.

(54) Average ertPS delay 6. average ertPS dealy (ms). 5 4. conventional. 3. RTDS. 2. TZG. 1 0. 政治大 simulation time (s). 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150. 立. 4. y. sit. al. n. 5. er. io. average rtPS delay (ms). 6. Average rtPS delay. Nat. 7. ‧. ‧ 國. 學. 圖 4-7 Average ertPS delay with 6 Relay Stations. Ch. engchi. i n U. v. conventional. 3. RTDS. 2. TZG. 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150. simulation time(s). 圖 4-8 Average rtPS delay with 6 Relay Stations. 45.

(55) 圖 4-6、圖 4-7、圖 4-8 分別表示 UGS、ertPS、rtPS 封包的帄均延遲時間，橫軸為模擬時間，傳統的排程與 RTDS 沒有考量到因為距離靠近而產生的干擾，會造成重傳而使封包需要等待更長的時間。RTDS 因為有考量急迫封包的問題讓一些快到期的封包可以提升優先順序降低 delay 時間，但仍無法避免干擾所產生的重傳。我們的方法考量干擾問題將傳輸時間分為兩區(RS number = 6)分時傳送，有效降低干擾，增加封包的傳送成功率。如表 4-6，TZG 在 UGS 的延遲改善約 33.62%，在 ertPS 改善 28.97%，rtPS 帄均 delay 改進 20.14%。. Algorithm. 立. RTDS. 3.7788 ms. 1.9121 ms. 2.6334 ms. 3.0179 ms. ‧ 國. TZG improvement ratio. 33.62%. 28.97%. 20.14%. rtPS. 學. TZG. ertPS 政治大 2.8804 ms 3.7075 ms UGS. ‧. 表 4-6 Average delay of real time service in RTDS and TZG (RS=6). y. Nat. al. n. average nrtPS delay (ms). 10 8. sit. Average nrtPS delay. er. io. 12. Ch. engchi. i n U. v. conventional 6 RTDS 4 TZG 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150. simulation time (s). 圖 4-9 Average nrtPS delay with 6 Relay Stations. 46.

(56) 圖 4-9 顯示 TZG 的 nrtPS 服務類別延遲程度會較高，這是因為在動態調整 access zone 時我們以 nrtPS 服務需求當作動態調整各 RS 中 access 頻寬使用上的差異，造成 nrtPS 的延遲上升。但每個 access zone 中傳送的需求變少，使得整個 access zone 相對較短，因此以 nrtPS 頻寬需求去動態調整 access zone 減少頻寬浪費是可以接受的。而 RTDS 因為沒有減少 nrtPS 的傳送機會，在 delay 方面有比較好的表現。. Average UGS jitter 1.8. 立. 1.6. al. y. v i n C80h 90 100110120130140150 10 20 30 40 50 60 70 engchi U n. 0. io. 0.2. TZG. sit. 0.4. conventional. er. 0.6. ‧. 0.8. ‧ 國. 1. 學. 1.2. Nat. average UGS jitter (ms). 1.4. 政治大. simulation time (s). 圖 4-10 Average UGS jitter with 6 Relay Stations. 47. RTDS.

(57) Average ertPS jitter average ertPS jitter (ms). 2.5 2 1.5 conventional RTDS. 1. TZG 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150. 政治大. simulation time (s). 立. 圖 4-11 Average ertPS jitter with 6 Relay Stations. y. sit er. average rtPS jitter (ms). ‧. ‧ 國. 學. al. n. 1.5. io. 2. Nat. 2.5. Average rtPS jitter. Ch. engchi. i n U. v. 1. conventional RTDS TZG. 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150. simulation time (s). 圖 4-12 Average rtPS jitter with 6 Relay Stations. 48.

(58) Algorithm. UGS. ertPS. rtPS. RTDS. 1.05655. 1.3599. 1.386. TZG. 0.1843. 0.2539. 0.291. TZG improvement ratio. 82.56%. 81.33%. 79%. 表 4-7 Average jitter of real time service in RTDS and TZG (RS=6). 圖 4-10、圖 4-11、圖 4-12 為模擬過程中 jitter 的變化。在 real time 服務的種類中 jitter 是一項重要指標，用來判斷網路傳輸的穩定度，在 MR 環境中，連線變得較密集，控制重傳的比例就變得很重要。傳統的排程與 RDTS 在沒有考慮干擾碰. 政治大. 撞的情況下，會產生嚴重的重傳，表 4-7 顯示在 real time 的服務中，TZG 可以改. 立. 善 jitter 約 80%效能，使傳輸更加穩定。本文中提出的時區分群避免了大部分的. ‧. ‧ 國. 學. 干擾，不僅降低封包延遲，也穩定傳輸速率。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 49. i n U. v.