IEEE 802.16j網路中基於樹狀拓樸的路徑選擇機制 - 政大學術集成

全文

(1)國立政治大學資訊國立政治大學資訊科學資訊科學研究所科學研究所 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 政治大. 學. ‧ 國. IEEE 802.16j 立網路中基於樹狀拓樸的路徑選擇機制. ‧. Tree Topology based Path Selection for IEEE Nat. n. sit er. io. al. y. 802.16j Network Ch. engchi. i Un. 研究生：廖國淵指導教授：張宏慶. 中華民國一百年七月 July. 2011. i. v.

(2) IEEE 802.16j 網路中基於樹狀拓樸的路徑選擇機制 Tree Topology based Path Selection for IEEE 802.16j Network. 研究生：廖國淵指導教授：張宏慶. Advisor：Hung-Chin Jang 政治大. 學. ‧ 國. 立. Student：Guo-Yuan Liao. 國立政治大學資訊科學系. ‧. 碩士論文. a. er. io. sit. y. Nat A Thesis. n. v Submitted to lDepartment of Computer n i Science C U. h. i e n g c hUniversity National Chengchi. in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Master in Computer Science 中華民國一百年七月 July. 2011 ii.

(3) 中文摘要 IEEE 802.16 相關標準已經發展出像是已經成熟的 802.16d、支援移動性的 802.16e 還有支援 Multihop Relay (MR)的 802.16j。802.16j 的特點就是多了可以轉傳資料的 Relay Station (RS)，藉由 RS 可以擴大網路覆蓋範圍(coverage extension)並提升系統傳輸效能(throughput enhancement)，不過也因此使得 802.16j 的 topology 不同於以往，變. 政治大. 成類似 Tree 的架構，傳輸路徑也不再是單純的 single hop，有可能變. 立. 成 two hop 甚至 multihop 的方式，也因此產生了新的多重路徑. ‧ 國. 學. (multipath)問題：BS 和 MS 中間的路徑不再唯一，因此路徑也需適時. ‧. 的配合改變，否則可能會嚴重的影響效能。. Nat. io. sit. y. 本文以連線的 QoS（Quality of Service）要求為標準，依照系統. er. 中 delay 需求順序建立連線 BS 與 RS 間的連線，最後建構出系統的 tree. al. n. iv n C h e n g c hQoS topology 並依此進行傳送。目的在讓高 i U連線與 BS 間的 Hop 數降低，達到降低 delay 並穩定 jitter 的目標，並提供 congestion control。最後利用 NS-2 網路模擬器對不同的網路環境進行模擬，測試所產生. 的效能並進行評估，以驗證此方法的實際可行性。. i.

(4) Abstract IEEE 802.16 standard had developed several standards about IEEE 802.16, such as practical 802.16d , 802.16e with mobility support and 802.16j with multihop relay. The main difference of 802.16j is the relay station. With the help of RS, coverage extension and throughput enhancement can be realized. However, the topology of 802.16j likes a tree, the hop count between BS-MS is no longer single. Hence, there is an emerged multipath problem of 802.16j：multipath. There may exist more. 政治大. than one path between BS and MS, we have to find the suitable path to. 立. optimize the system performance.. ‧ 國. 學. This study uses QoS requirements as our metrics, we set up the. ‧. connections according to delay tolerance order between BS and RSs, and. y. Nat. io. sit. then transfer data according to the constructed tree topology we. er. constructed. The goal is to decrease delay and stabilize jitter by reducing. n. a. v. l C BS and the MSs of the hop count number between n i high QoS requirement.. hengchi U. Finally, we simulate two different scenarios by using NS-2 simulator to evaluate the system performance... ii.

(5) 致謝辭能完成這篇論文，最該感謝的當然是指導教授張宏慶教授，雖然我常常被外務所羈絆，不夠認真專注在研究上，但老師還是一直很有耐心的教導我，帶領我完成了這篇論文。在研究所的期間，我學到了很多與大學不同的東西，相信將來一定會對我有所幫助。. 政治大此要謝謝阿迪、啟文、乃昕、任瑋、比比、胖子、新人王 Wright Feng、鋼鐵人、立在研究室的生活中，因為有許多人的陪伴，讓我能更順利的度過每一次難關。在. ‧ 國. 學. 香腸、Dogy、跳跳、阿彪、Patty Lee、小翊平、小花、俊哥哥、鐘毅、鋒哥等，不知道還有沒有漏掉其他人，不過我明天還要上班，就先這樣吧。. ‧ sit. y. Nat. n. al. er. io. 特別感謝我的父母耐心等待我畢業，念了這麼多年的書終於要工作了。還有一直. i Un. v. 陪伴我的小孟孟，雖然我碩一下才遇到她，不過不管遇到任何喜怒哀樂，她都能. Ch. engchi. 陪著我度過，是我最大的心靈支柱。. 最後，完成碩士論文是結束也是開始，終於要告別漫長的學生生涯，真正踏入職場，不管將來如何，希望我能一直保持著熱情與毅力，勇敢地邁向人生每一個階段。. iii.

(6) 目錄第一章簡介.................................................................................................................. 1 1.1 背景................................................................................................................. 1 1.1.1 WiMAX 簡介........................................................................................ 1 1.1.2 WiMAX QoS ........................................................................................ 2 1.1.3 IEEE 802.16j 簡介 ................................................................................ 4 1.2 研究動機與目的............................................................................................. 7 1.3 論文組織架構................................................................................................. 8 第二章相關研究...................................................................................................... 10 2.1 Path Cost Metric ............................................................................................ 10 2.2 Relay Selection .............................................................................................. 12 2.3 Path Selection for MS .................................................................................... 17 2.4 Path Selection for RS ..................................................................................... 19 第三章研究方法...................................................................................................... 22 3.1 問題分析........................................................................................................ 22. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 3.1.1 Centralized Routing or Distributed Routing ....................................... 22 3.1.2 Modification of MS............................................................................. 23 3.1.3 Load-Balance ...................................................................................... 23 3.1.4 QoS ..................................................................................................... 24 3.1.5 RS with Mobility................................................................................. 25 3.2 研究方法概述................................................................................................ 25. sit. y. Nat. n. al. er. io. 3.2.1 Routing Tree Topology ....................................................................... 25 3.2.2 QoS Consideration .............................................................................. 26 3.2.2 Tree Re-construction ........................................................................... 29 3.3 系統架構與參數定義.................................................................................... 31 3.3.1 參數定義............................................................................................ 32. Ch. engchi. i Un. v. 3.3.2 Updating Tree Topology without QoS Support .................................. 32 第四章模擬實驗與數據分析.................................................................................. 42 4.1 實驗一：Evaluate Delay Improvement By MS Count ................................. 43 4.2 實驗二：Load-Balance Evaluation ............................................................... 60 第五章結論與未來展望.......................................................................................... 63. iv.

(7) 圖目錄圖 1.1：Single Path 與 Multipath 問題 ........................................................................ 7 圖 2.1：Path Selection for MSi ................................................................................... 11 圖 2.2：Initial ranging ................................................................................................. 13 圖 2.3：Intra-BS Handover ......................................................................................... 15 圖 2.4：Relay Network Entry Procedure .................................................................... 20 圖 3.1：系統連線尚未建立時.................................................................................... 26 圖 3.2：系統連線建立完成........................................................................................ 26 圖 3.3：連線狀況一.................................................................................................... 27 圖 3.4：連線狀況二.................................................................................................... 27 圖 3.5：加入新增的 RS1 至系統............................................................................... 29 圖 3.6：RS 移動，需尋找新 Parent RS..................................................................... 30 圖 3.7：RS1 與 BS 連線中斷 ..................................................................................... 31 圖 3.8：Update tree topology without QoS support ................................................... 33 圖 3.9：Update tree topology by connecting RS to BS .............................................. 35 圖 3.10：Connect RS with load-balance considersation............................................. 36 圖 4.1：UGS Average Delay ....................................................................................... 44 圖 4.2：ertPS Average Delay ...................................................................................... 46 圖 4.3：rtPS Average Delay ........................................................................................ 48 圖 4.4：UGS Average Jitter......................................................................................... 50 圖 4.5：ertPS Average Jitter ........................................................................................ 54 圖 4.6：rtPS Average Jitter.......................................................................................... 56 圖 4.7：Average Hop Count........................................................................................ 58 圖 4.8：Packet Dropping Rate .................................................................................... 61. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. v. i Un. v.

(8) 表目錄表 1.1：IEEE 802.16e QoS ........................................................................................... 3 表 1.2：IEEE 802.16e 與 IEEE 802.16j 比較圖 .......................................................... 5 表 2.1：ERRI Value Table........................................................................................... 11 表 4.1：模擬參數........................................................................................................ 42 表 4.2：UGS Delay 數據分析 .................................................................................... 45 表 4.3：ertPS Delay 數據分析 ................................................................................... 47 表 4.4：rtPS Delay 數據分析 ..................................................................................... 49 表 4.5：UGS Jitter 數據分析...................................................................................... 51 表 4.6：ertPS Jitter 數據分析 ..................................................................................... 55 表 4.7：rtPS Jitter 數據分析....................................................................................... 57 表 4.8：Average Hop Count 數據分析....................................................................... 59 表 4.9：Packet Drop Rate 數據分析 .......................................................................... 62. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vi. i Un. v.

(9) 第一章簡介 1.1 背景 1.1.1 WiMAX 簡介. 政治大. 隨著近年來資訊技術的進步，有線網路已無法滿足我們對於網路行動性上的. 立. 需求，為了讓使用者能隨時隨地上網，更不受限的存取網路，因此促成了無線網. ‧ 國. 學. 路的快速發展。但是隨著多媒體技術的發展，上網的頻寬需求越來越大，像是 Voice Over IP (VoIP)、Video On Demand (VoD)及進行Massively Multiplayer Online. ‧. Game (MMOG)線上遊戲等程式都需要大量的頻寬，而目前無線網路中最熱門的. y. Nat. sit. IEEE 802.11a/b/g已無法滿足我們對無線網路在距離、頻寬及覆蓋率上的需求，. n. al. er. io. 而3G等的行動通訊技術又因成本高及傳輸慢而難以普及。傳統有線網路雖然有. i Un. v. 高頻寬，但是在部署上昂貴且複雜，在鄉村地區及郊區更是難以部署，所以為了. Ch. engchi. 因應未來人類對網路頻寬、行動性及部署上的需求，其中最有希望的技術就是 IEEE 802.16相關標準了，也稱作WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)。. WiMAX 的特點有傳輸距離遠、高傳輸頻寬、佈建快速且成本低的優點。且 IEEE 802.16 設計時即考慮到 Quality of Service (QoS)的需求，對於有不同需求的程式有不同等級的 QoS 支援，因此對於未來成長快速的 VoIP，VoD 等影音需求非常合適，能因應情況調整頻寬分配，不會因為使用者一多就嚴重影響品質。. 1.

(10) IEEE 802.16 標準首先是在 2001 年底被提出來的，使用的頻譜為 10-66GHZ，理論上最大頻寬可以達到 70~100Mbps ，還有 20km 的傳輸距離，支援 Line-Of-Sight (LOS) 傳送，系統包含了基地台 (Base Station, BS) 和用戶端 (Subscriber Station, SS)，採用點對多點(Point-to-Multipoint, PMP)的架構，在 802.16a-2003 的標準中，又加入了 Non-LOS 和 2-11GHZ 的頻譜範圍，之後 PHY 層和 MAC 層又演進修改為最成熟實用的 802.16-2004，但是 802.16-2004 仍然存在許多缺點，而後在 2005 年底又在 PHY 層加入了 OFDMA 並支援移動性 (mobility)，系統內加入了行動基地台(Mobile Station, MS)，也衍生出有關省電 power saving、handover…等新的議題。. 立. 政治大. IEEE 802.16 network應用了OSI七層的架構，最上面五層直接套用Ethernet網. ‧ 國. 學. 路架構，只定義了在最底下的Physical層和Data Link層，其中Data Link層又分為. ‧. LLC層和MAC層，因為MAC層負責了連線的建立和維持，像是Multiple Access、. sit. n. al. er. io. 1.1.2 WiMAX QoS. y. Nat. Scheduling等，所以我們主要的研究都在MAC層。. Ch. engchi. i Un. v. WiMAX 為了滿足各個程式的 QoS 需求，在 802.16 中制定了四種等級的 QoS，在 802.16e 中又新增了一種等級，分別為 Unsolicited Grant Service (UGS)、 Extended Real-time Variable Rate Service (ertPS、802.16e 中新增)、Real-time Variable Rate Service (rtPS)、Non Real-time Variable Rate Service (nrtPS)、Best Efforts Service (BE)。而 802.16j 延用了 802.16e 的 QoS 規則，這五種等級的 QoS 說明如下：. 2.

(11) QoS 等級. 取得頻寬方式. 支援的服務. 重要參數. UGS (Unsolicited Grant Service). BS 主動分配，頻寬為固定的. VoIP. tolerated jitter. ertPS (Extended Real-time Variable Rate Service). BS 主動分配，但頻寬為變動的. VoIP with silence suppression. tolerated jitter. rtPS (Real-time Variable Rate Service). BS 週期性詢問頻寬要求. nrtPS (Non Real-time. 等待 BS 詢問或 contention. web、e-mail. a l表 1.1：IEEE 802.16e QoS [3] iv n Ch engchi U. n. 1.. none. er. io. sit. contention. y. Nat. BE (Best Effort). minimum reserved traffic rate. ‧. Variable Rate Service). ftp. maximum latency. 學. ‧ 國. 立. 政治 video 大. UGS：設計來支援即時性且 delay 限制嚴格的程式，這些程式通常週期性的產生固定長度的封包，像是 T1/E1 和無 silence suppression 的 VoIP， BS 會以固定的時間間隔分配頻寬給 UGS 連線，會依照 maximum sustained traffic rate 給定大小，另外也包含了 maximum latency、tolerated jitter、minimum reserved traffic rate 等參數。. 2.. ertPS：為 802.16e 制定後加入，整合了 UGS 和 rtPS 連線，BS 會像 UGS 連線一樣主動提供頻寬給 ertPS 連線，減少了 bandwidth request 的延遲， 3.

(12) 只是給 ertPS 的頻寬是變動的，適合變動封包大小的即時程式，像是無 silence suppression 的 VoIP，包含 maximum sustained traffic Rate、 maximum latency、tolerated jitter、minimum reserved traffic rate 等參數。. 3.. rtPS：設計來支援會週期性送出變動長度封包的即時程式，像是 MPEG Video 和有 silence suppression 的 VoIP，其中最重要的 QoS 參數為 minimum reserved traffic rate 和 maximum latency，因為 rtPS 連線的封包大小不固定，BS 會週期性地詢問 rtPS 連線，rtPS 連線則在此時送 request 給 BS，以要求所需的頻寬，包含 maximum sustained traffic rate、maximum. 治政 traffic rate 等參數。 latency、tolerated jitter、minimum reserved大立 ‧ 國. 學. 4.. nrtPS：設計來支援無 delay 需求但卻有 Minimum Data Rate 限制的連. ‧. 線，像是 ftp 連線，檔案傳輸等連線，需要等 BS 詢問或以 contention. sit. y. Nat. 方式來取得頻寬，包含 maximum sustained traffic rate、minimum reserved. io. er. rraffic rate 等參數。. al. n. iv n C BE：和 nrtPS 連線差在沒有 data rate 的限制。為優先權最低 h e nminimum gchi U. 5.. 的連線，用在沒有 QoS 保證的程式，像是網頁瀏覽、e-mail 等，需以. contention 方式向 BS 取得頻寬，當網路壅塞時 BE 連線可能長時間都得不到頻寬，包含 maximum sustained traffic rate 參數。. 1.1.3 IEEE 802.16j 簡介. 雖然目前 802.16e 已具有高頻寬、覆蓋範圍廣且支援移動性等優勢，但是仍存在著一些問題，像是建築物的遮蔽效應(shadow fading)產生的死角(coverage hole)所造成的傳輸效率差，而如果要擴大覆蓋範圍(coverage extension)時，只能 4.

(13) 額外佈建昂貴的 BS，變得難以實行。為了解決這些問題，IEEE 在 2006 年開始著手制定新的 802.16 規格，計畫延伸原有的 802.16e 標準並加入 multihop relay 的技術，稱作 802.16j。. 要達到 coverage extension 與解決 coverage hole 問題，原有作法是以增加功率放大器(repeater)或增加 BS 兩種做法。以增加 repeater 來說，雖然造價便宜且佈建方便，能放大衰弱的訊號以提升訊號品質，但是同時也會放大雜訊。而增加 BS 的數量，不僅可以提升範圍內的傳輸品質，也可以大大增加系統的涵蓋範圍，但是也需要額外建設 BS 後的骨幹網路，而骨幹網路的建設和 BS 本身都是非常. 治政高的成本，使得這兩個方法都窒礙難行。大立 ‧ 國. 802.16j. 學. 802.16e-2005. Tree structure (PMP compatible, not ad hoc nor mesh). Hops. Single hop. Multihop. No. Yes over multipath. sit. y. al. n System capacity. er. io. Traffic aggregation. ‧. PMP only. Nat. Topology. i vwithin BS coverage Higher n CLower hengchi U. Coverage. Lower. Higher. Cost. Higher. Lower. Legacy 802.16e-2005 station. －. Backward Compatible. Mobility support. Yes. YES. PHY support. OFDMA. OFDMA extension. 表 1.2：IEEE 802.16e 與 IEEE 802.16j 比較圖 5.

(14) 802.16j 最主要的改變就是加入了中繼站(Relay Station, RS) 。RS 比起 BS 便宜且佈建快速，藉由 RS 的加入，希望能達到 coverage extension 與 capacity enhancement。RS 的主要功能是接收 BS、MS 或其它 RS 的訊號，處理過後再轉傳出去，當 RS 佈建在 BS 的範圍內時，可以轉傳資料到受到 shadow fading 影響和 BS 覆蓋範圍邊緣的區域，改善訊號品質且提升系統 capacity，這種方式稱做 transparent mode，主要目的是提升在 BS 範圍內的 capacity。而當 RS 佈建在 BS 覆蓋範圍邊緣或範圍外時，可以接收 BS 或 RS 傳送過來的訊號，再轉傳到原本 BS 無法覆蓋的區域，稱做 non-transparent mode，目的是讓系統傳輸的範圍更廣. 治政更遠，能服務的用戶也更多，比起原本佈建 BS 以擴大範圍的成本低廉，複雜度大立比起 transparent mode 較高。 ‧ 國. 學. 802.16j 的 RS 可以分成以下三種型態，以適應不同的環境：. ‧. Fixed Relay Station (FRS)：無法移動，只能固定放在某位置的 RS，目的. sit. y. Nat. 1.. io. er. 是讓位於 coverage edge 和 coverage hole 的使用者能得到更好的連線品質，或是延伸網路範圍，經由 multihop 方式讓遠處的使用者也能進入系. n. al. 統。. 2.. Ch. engchi. i Un. v. Nomadic Relay Station (NRS)：可以移動，但是會在固定位置停留一段時間的 RS，是利用來暫時提供額外的 coverage 與 capacity，像是緊急事件、發生災難或大型展覽活動時，可以額外放置 NRS 來提供暫時服務。. 3.. Mobile Relay Station (MRS)：移動式的 RS，可以放置在行動的交通工具上，以統一服務交通工具上的使用者，避免使用者因為頻繁的 hand Over 而發生中斷，也可以簡化並降低上層 RS 或 BS 的負擔。. 6.

(15) 1.2 研究動機與目的研究動機與目的. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1.1：Single Path 與 Multipath 問題. 雖然 802.16j 藉由 RS 的加入使得 WiMAX 的功能更強，但也帶來了一些缺點。BS、RS、MS 之間的架構已不同於以往的 802.16，舊有 802.16 的問題如 admission control、scheduling、bandwidth request 等，在 802.16j 可能會變得更複雜，原有解決辦法也不見得適用在 802.16j 上。不僅如此，802.16j 也衍生出許多新的問題，例如 multipath 的問題。因為網路拓樸的改變，MS 與 BS 間的路徑不再是 single hop 而是 multihop，路徑也不再唯一，當我們要提升系統的 capacity 7.

(16) 時，需要在範圍內佈置更多 RS。RS 間距離縮短而變得彼此相鄰，這時每個 RS 就必須找出最適合的 Path，不適當的選擇會造成系統 congestion 與嚴重的 delay 或 throughput 低落。尤其當 NRS 與 MRS 加入系統後，NRS 與 MRS 的移動性所造成網路環境的改變，更需要有良好的 path 更新機制才能維持系統效能，這都是值得我們研究的方向。. 1.3 論文組織架構論文架構如下：第二章為相關研究，我們節選了四篇在 IEEE 802.16j 上關於. 政治大是依據這幾篇論文而做修改，大致上不脫這四篇的概念。立. path selection 與 relay section 的相關論文。近兩年有關 path selection 的論文大多. ‧ 國. 學. 在 path selection 的研究上，主要都是依據 path cost 的概念來做選擇，對 MS. ‧. 或 RS 來說，會優先選擇 path cost 低的路徑，但因為每條 path 受各種不同因素的. sit. y. Nat. 影響，造成 path cost 低的路徑不一定就是最佳的路徑，像是 bottleneck link、. n. al. er. io. load-balance、end-to-end delay、QoS 與 MS 的修改與否等問題都會造成 path. i Un. v. selection 設計上的困難，我們會在這四篇論文上針對這些問題做詳細的說明。. Ch. engchi. 第三章會依據第二章所找出的問題先作分析，依據這些分析後再提出我們的作法。IEEE 802.16j 所增加的 RS 可以有效提升 throughput 與 coverage，但是當 MS 與 BS 之間的 relay hop 數上升時，也同樣會造成 delay 的上升與 jitter 的變化。我們的作法主要是架構在優先考慮 QoS 的前提下，提出不同於以往的 tree topology based 的作法。當系統內 RS 產生變化時，系統會執行本論文的演算法以更新 topology，首先在 BS 與 RS 仍有剩餘頻寬的前提下，優先讓有高 QoS 的 RS 與最上層的 BS 或 RS 連接，減少高 QoS 連線與 BS 之間的 Hop 數，以減少 delay 並穩定 jitter。一層一層完成所有 BS 與 RS、RS 與 RS 間的所有連結，系統內的 8.

(17) MS 與 RS 即可依照更新完成後的 topology 進行傳送。. 第四章藉由我們所設計的 scenarios，並應用我們的方法在 NS-2 上進行模擬，並分析效能變化與改進，第五章為本論文提出總結，並提供了未來可改善的空間與研究方向。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 9. i Un. v.

(18) 第二章相關研究 2.1 Path Cost Metric 當我們要選擇路徑時，需要某項標準來判定好與較差的路徑。例如若要最大化系統 throughput，就必須利用一些網路上參數來衡量，像是 radio resource、. 政治大. latency、delay jitter 與 hop distance，藉由這些 metrics 可以讓我們更方便選擇適. 立. 合的路徑。在[8]中提出了先找出 Effective Radio Resource Index (ERRI)的值，再. ‧ 國. 學. 以設計的 cost function 找出有效率的路徑。ERRI 的值代表在不同的 burst profile 下，連線需要多少個 64-Sub-Carriers 來傳送 30bytes 的資料，如下表：. ‧. Nat. QPSK,CC/BTC/CTC, 1/2,6. 1. io. QPSK,CC/BTC/CTC, 1/2,4. er. n. al. 1. Ch. QPSK,CC/BTC/CTC, 1/2,2 QPSK,CC/BTC/CTC, 1/2,1. y. Bytes per OFDMA slot. sit. Burst Profile. engchi. i U n3. v. ERRI value 30 20 10. 6. 5. QPSK,CC/BTC/CTC, 3/4,1. 9. 10/3. 16-QAM,CC/CTC 1/2,1. 12. 5/2. 16-QAM,BTC 1/2*,1. 16. 15/8. 16-QAM,CC/CTC 3/4**,1. 18. 5/3. 16-QAM,BTC 3/4*,1. 20. 3/2. 64-QAM,CC/CTC 2/3,1. 24. 5/4. 64-QAM,BTC 3/4,1. 25. 6/5. 10.

(19) 64-QAM,CC/CTC 3/4,1. 27. 10/9. 64-QAM,CTC 5/6,1. 30. 1. *64-QAM BTC 1/3 is also included **64QAM CC/CTC 1/2 is also included 表 2.1：ERRI Value Table 我們可以看到最好的調變 64-QAM 的 ERRI 值是最小的，但是一條 path 包含了一條以上的 link，得到每條連線 link 上的 ERRI value 值後，接下來必須算出每條 path 的 cost， cost 越低代表該條 path 是越好的。. S02. 立. S12. ‧. ‧ 國. 學. S 01. 政治大. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. S22. S11 圖 2.1：Path Selection for MSi. 以上圖為例， QPSK CC 1. 2 → S11 ( MSi ) Path Pi1 ： S01 (MR-BS) ←. 11.

(20) 16-QAM CC 3. 16-QAM CC 3. Path Pi 2 ： S02 (MR-BS) ←4 → S12 (RS) ←4 → S 22 ( MSi ) 由表得知， QPSK CC. 1. 2. 的 ERRI value 為 5， 16-QAM CC. 3. 4. 的 ERRI value 為 5/3. 所以 MSi 若走直接與 MR-BS 連線的 path Pi1 ，path cost 為 5，若 MSi 走經由 RS 到 MR-BS 的 path Pi 2 ，則需要花費 5/3 + 5/3= 10/3 的 path cost，所以 MR-BS 會得到 Pi 2 Cost：10/3 <. Pi1 cost：5 的結果，得知 path Pi 2 的 path cost 是最低的，. 所以 MR-BS ← → MSi 之間的連線會選擇走 path Pi 2 。. 政治大. 優點：計算單純，集中式 routing 可以找出對 MS 最佳的路徑。. 立. 缺點：並未考量 BS 及 RS 目前可用頻寬，容易造成 congestion。. ‧ 國. 學. 沒考慮 hop 數造成的影響，高 QoS 連線 delay 容易上升。需要額外變更 MS 設計，以讓 MS 走系統挑選的路徑。. ‧. 沒有考慮 RS 或 MS 移動時，系統 path 需要的改變。. n. al. er. io. sit. y. Nat 2.2 Relay Selection. Ch. engchi. i Un. v. 當新的 MS 要進入系統時，需要找尋適當的 RS 進入系統，必須與鄰近的 RS 作 initial ranging。當 MS 在系統一段時間後，可能與目前連接的 RS 品質越來越差，此時就必須找其他更適合的 RS 以連接，這步驟則稱作 intra-BS handover。. [10]的做法就是在 Signaling 的機制中加入了 path selection，以提出的 Expected Link throughput (ELT) metrics 為基礎，當 MS 要作 initial ranging 或 intra-BS handover 時，都會執行[10]的 path selection 演算法來找尋合適的 RS，下圖說明了 path selection 演算法如何在 initial ranging 中運作。. 12.

(21) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 圖 2.2：Initial ranging 13. i Un. v.

(22) 當新的 MS 進入系統後，先在 initial ranging contention period 廣播送出 ranging code，BS 收到後回送 ranging response (RNG-RSP)給 MS，MR-BS 之後在 UL-MAP 分配時間給 MS 送 ranging request (RNG-REQ)，因為所有 RS 也會收到 UL-MAP， RS 也會得知何時 MS 會送出 RNG-REQ，此時，[10]的作法會讓 RS 在 MS 送出 RNG-REQ 的同時也作 listening，RS 藉由聽到的 RNG-REQ message 來算出自身與 MS 之間的 ELT-based metric，之後所有 RS 將此 ELT-based metric 值透過 Mobile Station Signal Report (MS-SIG-REP) Message 送回 MR-BS，MR-BS 收集所有 path 的 ELT metrics 並執行 path selection，最後回覆 ranging response (RNG-RSP)給最. 治政適合連接的 RS，再讓此 RS 自行與 MS 建立連線。大立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 14. i Un. v.

(23) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. 圖 2.3：Intra-BS Handover 15. v.

(24) 上圖以 intra-BS handover 為例，當 MS 與目前連接的 access RS (RS2)之間訊號品質越來越差時，access RS 會送 MS-SIG-REP 給 MR-BS，MR-BS 接著向 MS 送出 report request (REP-REQ)要求 MS 回覆訊號品質，在 MS 回覆 report response (REP-RSP)的同時，所有 RS 也會 listening 此 REP-RSP Message，並一樣藉此算出 ELT metrics 並回覆 MS-SIG-REP 給 MR-BS，讓 MR-BS 挑出較好的 RS 讓 MS 作 handover。. 政治大. 除了 signaling 的機制外，ELT ( Texp ) metrics 是 MR-BS 判斷路徑好壞的重要. 立. 依據，公式如下：. ‧ 國. 學. Texp ( j ) = BWavail ( i ) × Data _ rate ( j ). ‧. BWavail ( i ) ：RS i 的 available bandwidth = total bandwidth–used bandwidth. n. al. er. io. sit. y. Nat. Data _ rate ( j ) ：the signal to noise ratio (SNR) on link j. i Un. v. 因為 MR-BS 已知系統 topology 中所有 MS 可連接的 path，依據所有 RS 回覆的. Ch. engchi. Texp ，找出每條 path 上最小的 ELT = Tmin ，也就是 bottleneck links。再藉由以下. 公式： psel = arg max {Tmin (1) , Tmin ( 2 ) ,KTmin ( n )} n. 找出有最大 Tmin 的 path，此 path 為 psel ，就是有最高 throughput 的 path。. [10]的優點是，成功將 path selection 機制加入 ranging 與 handover 中，在不變動 MS 的設計下，讓 MS 與符合的 RS 連接。並以 available bandwidth 作計算，符合 load-balance。而缺點是沒有考慮 hop 數增加對連線造成的影響。. 16.

(25) 2.3 Path Selection for MS [9]提出了一個 Normalized Number of Minislots (NNM)的 metric 來作 path selection，此 metric 讓 MS 達到 high end-to-end throughput 與 low delay。. Q=. {q. q. } ：set of RS cells. V=. {v. v. } ：set of MSs. 1,K m. 1,K m. el ：link. 政治大. g n ：required bandwidth of MS vn gˆ n ：throughput of MS vn. 立. ‧ 國. 學. sl ：number of required minislots on link el sˆl ：number of assigned minislots on link el. ‧ y. n. al. sit. l :el ∈ pn. io. sˆl gn sl ……………………...........................................(1). er. Nat. gˆ = min throughput： n. i Un. v. minislots 為傳送時間的最小單位，依據以上公式，我們可得到實際的 throughput。. Ch. engchi. S m ：path pn 所屬的 RS qm 目前剩餘的頻寬. ∑. l :el ∈qm. sl. ： qm 在所有 link 上所需的總 minislots.   sˆl Sm = min 1,   ……….(2) Downlink satisfaction index of the link el ： sl  ∑ l:el ∈qm sl  當所需的 minislot 比可得的 minislot 小時，公式(2)的值為 1，否則為. ∑. Sm l :el ∈qm. sl. ，. 假設依據 scheduling 分配，屬於同一 cell 的所有 links 都有相同的 downlink 17.

(26) satisfaction index，則可以進一步導出以下公式：.   Sm SI = min 1,   ………(3) Downlink satisfaction index of the cell qm ： m  ∑ l:el ∈qm sl . 整理以上三個公式後，throughput 可以簡化成. gˆ n = SI m ⋅ g n. 所以當我們所需的頻寬比可得的頻寬小時，系統是 underloaded 的，throughput. 政治大. 剛好是我們所需的頻寬， SI m 則為 1，並且表示 packet 可以在一個 frame 內就傳. 立. l :el ∈qm. sl. Sm. Nat. y. ‧. Downlink Load Ratio ： LRm. ∑ =. 學. ‧ 國. 完，delay 也是最低。. m =1. m. m =1. er. ∑ LR = ∑. ∑. a lsl iv n C hengchi U Sm n. M. io. M. sit. 為了避免系統 overloaded，要找出最小的 LRm ，越小代表負載越輕 l :el ∈qm.  gn  M ∑ l :el ∈ pn  rl t   =∑ S pn m =1  gn   M ∑ l:el ∈ pn   rl t  NNM= ∑ S pn m =1. [9]的優點是以 load-balance 為主要考量，在所有符合頻寬需求的路徑中，選擇最 18.

(27) 不會造成 congestion 的路徑進行連線。而缺點是計算較複雜、未將 hop 數列入 metric、未考量 RS 與 BS 或 RS 與 RS 之間的 path selection，計算的 end-to-end delay 也不是實際 MS-BS 間的 delay。. 2.4 Path Selection for RS [8]的作法是屬於 centralized routing 的方式，當 RS 越來越多時會使得系統難以控制並增加 latency，在[6]中進一步延伸了 multipath 的問題，將 path selection 改為 distributed routing 的方式，由各 RS 分別計算處理。. 立. 政治大. 首先將影響 latency 最重要的三個參數：可用頻寬 link available bandwidth、. ‧ 國. 學. 頻道品質 SNR ratio、經過站台的數量 hop-count，這三項資訊存放在 UCD MAC management message 的 TLV 欄位內，讓每個 BS 與 RS 在廣播 UCD message 時，. ‧. 其他相鄰的 RS 能收到這些參數，並據此進行 distributed routing。以下圖來說，. y. Nat. sit. 當新的 RS 進入系統後，會先收到相鄰 RS1 的 UCD Message，接下來又收到 RS2. n. al. er. io. 與 RS3 的，然後又再次重複收到 RS1 的 message，因為廣播間隔是固定的，這時. i Un. v. 就代表新的 RS 已經收集完所有相鄰 RS 或 BS 的資訊，然後開始進行 path selection。. Ch. engchi. 19.

(28) RS3. RS2. RS1. New RS UCD from BS1 (broadcast). Start to set the metric table. UCD from BS2 UCD from BS3. Time to send UCD from BS1. Complete to set the metric table and select access RS based on “path cost” information. If RS2 is the lowest cost, then.... CDMA ranging code RNG-RSP. Send user data. Adjust time & power parameters. 學 ‧. ‧ 國. 立. 政治大. 首先，r 代表新的 RS，J1,J2,….Jk 代表途中經過的 hop. n. al. Ch. engchi. er. io. sit. y. Nat. 圖 2.4：Relay Network Entry Procedure. i Un. v. Br − BSi 則是 r 到基地台 BSi 間所有 relay link 頻寬的集合. 藉由 SNR 值與 link 間的 modulation，我們可以得到 MCS level，值越高代表連線品質越好， M r − BSi 是 r 到基地台 BSi 間所有 relay link 的 MCS link level 的集合. 因為一條 path 的 throughput 會被最小的 link throughput 所限制，所以將每條 link 的頻寬與連線品質相乘，並找出最小值，就代表了此 path 的期望 throughput：Lr − BSi 20.

(29) 因為 path 上所經過的中繼站 RS 數目越多，也會增加連線的 delay 與資源消耗，所以算出的 throughput 必須再除以 hop 數量，才是真正的 path throughput. 以此方法算出每條 path 的 P 值，有最大 P 值的 path 才是可以提供最大 throughput 的 path，也是最好的 path，而它的 cost 為 Cr − BSi 。. 立. 政治大. [8]的優點是採用 distributed routing，可充分利用 RS，減少 BS 額外負擔及 delay。. ‧ 國. 學. 並將 path selection 資訊加入 TLV message，不需 RS 額外資源。也考慮了 RS 與. ‧. BS 間的 path selection，不需更改 MS 設計。而缺點是計算出的 RS-BS 的最佳 path，. n. al. er. io. sit. y. Nat. 不等於 MS-BS 的最佳 path。. Ch. engchi. 21. i Un. v.

(30) 第三章研究方法 3.1 問題分析 3.1.1 Centralized Routing or Distributed Routing. 治政 IEEE 802.16j 加入了 Relay Station (RS)具有部分大BS 的功能，可以處理資料立並參與 bandwidth allocation、scheduling，所以也可以參與 path selection 的決定。 ‧ 國. 學. 從相關研究中可以看到，[8][10]是屬於 centralized routing，因為 path selection. ‧. metrics 的計算與最後 path 的決定都是在 BS 完成，BS 需要完全了解系統的. sit. y. Nat. topology 與 path Links，藉由 RS 把 link 上的連線資料回傳給 BS，由 BS 找出最. io. er. 佳路徑。[6][9]是屬於 distributed routing，path selection metrics 可由各 RS 計算完成，RS 不需知道整個系統的連線狀況，只需與鄰近的 RS 或 BS 溝通，path selection. n. al. 由各 RS 決定。. Ch. engchi. i Un. v. centralized routing 的優點是可以確保 path 是 global 最佳化的，而且設計上簡單，只需要統一將資訊回傳給 BS，由 BS 作決定即可。但是需要額外的頻寬來傳送資訊，delay 有可能會較高，並且當 RS 越來越多時，系統會變得難以控制， BS 負荷也會升高。. distributed routing 較不需要額外資源與機制來作 path selection，可以將 path selection metrics 包在原本廣播的封包內，即可讓鄰近 RS 與 BS 接收並處理，但是會增加 RS 的複雜度，演算法設計上也較複雜，並且有可能是 local 最佳化。 22.

(31) 所以選擇 centralized routing 或是 distributed routing 是很重要的。. 因為我們的作法以 QoS 為主要考量，目標是在降低高 QoS 連線的 delay 與 jitter，我們所採用的作法是透過降低 BS-MS 間的 hop 數，來達到降低 delay 並穩定 jitter 的功效。如果採用 distributed routing 則無法掌握並了解 MS-BS 間的 hop 數變化，所以我們選擇以 centralized routing 來設計做法。. 3.1.2 Modification of MS. 政治大. path selection 的目的是要找出 BS-MS 之間的最佳路徑，但是我們希望盡量. 立. 不要變動 MS 上的設計。以[6]為例，它可以確保 RS-MS 之間的最佳路徑，但是. ‧ 國. 學. 無法考慮到 MS 會與哪個 Access RS 連接，而有可能會影響效能。. ‧. [8][9][10]都是以 MS-BS 之間的最佳 path selection 為前提去作計算，所以可. y. Nat. sit. 以確保 MS-BS 之間的最佳效能，但是有可能需要讓 MS 配合演算法去選擇 RS，. n. al. er. io. 這就需要變動到 MS 上的設計。會讓 802.16j 之前的 MS 或 SS 無法相容於. i Un. v. 802.16j，而降低實用性。但是[10]利用的 signaling 的機制，只變動了 RS 與 BS. Ch. engchi. 的設計，讓 MS 在 ranging 時就作 path selection，由 BS 決定路徑後回傳給最適合的 RS，再由此 RS 回覆 ranging response 給 MS，如此就在不變動 MS 的前提下，成功的讓 MS-RS 的路徑最佳化，所以對 802.16j 以外標準的相容性較高。. 3.1.3 Load-Balance 當某條RS-BS間的link明顯優於其他link時，可能會造成許多MS或RS都經由此路徑傳送，當連線增加時造成congestion，而此時其他較差的link仍然 under-loaded或是閒置，如果可以將處於congestion的連線改由透過這些link傳 23.

(32) 送，就可以提高系統throughput並減少delay。. 所以在設計path selection metrics需要考慮如何作load-balance，將RS上的可得頻寬與capacity列入公式中，避免連線都擠在較好的link或path上，或是利用其他機制讓發生congestion時，能疏散其他連線到較差的link上，以解決congestion，提升系統效能。. 3.1.4 QoS. 政治大. 目前大部分的論文都較少討論到QoS與path selection的結合，因為QoS不同，. 立. 也會造成連線要求的不同。像是高優先權的連線需要較低的delay，低優先權的. ‧ 國. 學. 連線不需要考慮到delay，所以在設計演算法時，也許可以區別開不同QoS的設計，讓低QoS的連線不會排擠到高QoS的連線，或是更進一步降低高QoS連線的. ‧. delay。. sit. y. Nat. n. al. er. io. 如同設計metrics時，將available bandwidth與hop count分開，在足夠bandwidth. i Un. v. 的前提下，hop count對高QoS連線的delay影響很大。假設有兩條path. Ch. engchi. path A：available bandwidth=30，hop count=3，path cost=3/30=0.1 path B：available bandwidth=10，hop count=2，path cost=2/10=0.2 而RS上的連線為rtPS連線，頻寬需求為8，以傳統的計算方法，path A所得到的path cost低於path B，因此rtPS連線會選擇path A路徑，但是實際上兩條path的頻寬都滿足此rtPS連線，而path B比path A少了一個hop，delay差了一個frame，所以對於此rtPS連線，path A與path B的實際throughput是一樣的，但是delay則是path B較低。所以依照不同的QoS連線設計適當的path selection method是十分重要的。. 24.

(33) 3.1.5 RS with Mobility 除了[6]之外，大部分的Multipath問題都是考慮MS-BS間的path selection，但是因為802.16j除了固定式的FRS外，也加入了具有移動性的NRS與MRS，也讓path selection問題更複雜化，但也變得更值得研究，所以如果將NRS與MRS的移動性加入MS-BS間的path Routing，會變得更具實用性。. 3.2 研究方法概述. 政治大. 在本研究中，我們將不對 MS 進行更改，以提高方法的可行性及相容性。依. 立. 照 RS 上各連線的需求，在符合 QoS 限制及滿足連線頻寬需求的前提下，將系統. ‧ 國. 學. capacity 及 throughput 最大化，並做到 load-balance，先建立系統的 routing tree topology，再讓各 RS 及 MS 能依照此 tree topology 進行 routing。. ‧ y. Nat. n. er. io. al. sit. 3.2.1 Routing Tree Topology. Ch. engchi. 25. i Un. v.

(34) 圖 3.1：系統連線尚未建立時. 不同於原本的 mesh 模式，在 IEEE 802.16j 標準裡規定了，所有的接收與傳送都必須透過 BS，每個 MS 或 RS 只能有一個 parent. RS 或 BS， MS 或 RS 的. 傳送與接收也都必須透過此 parent。假設目前系統如上圖所示，MMR-BS 與 RS 之間尚未建立連線，則我們必須找出每個 RS 與 BS 之間連接的方式，建立類似下圖的 tree topology，讓每個 RS 及 MS 能依照系統的 topology 進行傳送與接收。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3.2：系統連線建立完成. 3.2.2 QoS Consideration 圖 3.3 與圖 3.4 都是系統所建立的 tree topology。但以圖 3.3 來說，RS 4 下有 3 個 RS，有可能會造成 congestion，而且 RS 10 離 BS 有 3 個 hops 的距離。如果 RS10 上有即時語音的連線，有可能造成通話不穩或品質低落。以圖 3.4 來說，每個 RS 最多只有 2 個 hops，比圖 3.3 來得平均，但是我們也無法斷定圖 3.4 的 26.

(35) 效能一定比圖 3.3 好，因為我們不確定每個 RS 上面的連線為何。如果 delay 需求高的連線集中在 RS 7 與 RS 9，那樣圖 3.3 反而會得到更小的 delay，所以我們在建立每個 RS 與其他 RS 或 BS 之間的連線時，最好能考慮到每個 RS 的需求，再建立符合的 tree topology，才能發揮更大的效能。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 3.3：Congestion may happens in RS4. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3.4：Delay is higher in RS7, RS9 27.

(36) 以往的方法在建立連線時，通常只考慮連線間的頻寬與 modulation，hop 數的重要性常常會被忽略。如果與 BS 之間的 hop 數越多，delay 則越長且容易不穩定，如果經過的 hop 數越少，除了 delay 降低之外，也不容易因為中繼的 RS 連線品質變動而影響 delay。為了使系統建立更符合連線的 tree topology，每個 RS 依照其上的連線來定義所需的 delay constraint，全部 RS 將資訊送至 BS 後，由 BS 作 centralized routing，依照每個 RS 的 delay 與頻寬需求，讓 delay 需求高的 RS 與 BS 之間的距離縮短，甚至當系統頻寬越來越少時，我們可以加深 tree topology 以增加系統 capacity 與 throughput，把 delay 需求低或動態將無 delay 需. 治政 delay。求的 RS 擺至更下層，而不致影響到高 QoS 連線的大立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 28. i Un. v.

(37) 3.2.2 Tree Re-Construction. 立. 政治大. er. io. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. Nat. 圖 3.5：加入新增的 RS1 至系統. 以上圖為例，RS1 是一新增的 RS，計畫加入目前的系統。因為 RS1 上面還. al. n. iv n C 沒有任何 MS 與其連線，所以我們無法得到資訊，RS 1 會對附近鄰居廣播 h e n g c QoS hi U. 要求進入系統，接收到訊息的 RS 或 BS 會回傳自身目前所剩餘的頻寬. Available_Bandwidth(parent _Node)參數給 RS 1，RS 1 依據以下公式找出與其有最低 cost 的 RS 或 BS 為 parent ，此時只需要作 distributed routing，不需要重建整個 tree topology，只需要 RS 1 的 parent 向 BS 回報新建立的連線。 Cost = 1. Available _ Bandwidth( Parent _ Node) × Modulation( RS _1, Parent _ Node). 29.

(38) 學. 圖 3.6：RS 移動，需尋找新 parent RS. ‧. ‧ 國. 立. 政治大. sit. y. Nat. 如上圖所示，當系統中 MRS 從點 A 移動到點 B 時，會與原本的 RS 斷線，. io. n. al. er. 而必須找新的 RS 進行連線，此時系統會重新建立 tree topology。. Ch. engchi. 30. i Un. v.

(39) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 3.7：RS1 與 BS 連線中斷. ‧. sit. y. Nat. 如上圖所示，當 RS 1 與 BS 間的連線發生問題時，RS 1 需要找新的路徑來. io. er. 連線至 BS，此時系統也要重新建立我們的 tree topology。. al. n. iv n C 如以上兩種狀況，因為這些h RS 很可能會帶著原本連接的 MS 一起移動，所 engchi U. 以 RS 一樣可以算出自身所需的頻寬與 delay 需求，然後送至 BS，由 BS 依照系統的 QoS 需求，重新建立 tree topology。. 3.3 系統架構與參數定義. 當系統中的 RS 有變動時，必須更新系統的 tree topology 來保持連線暢通。我們把這部份分成有無 QoS 兩種情況，如果是新增的 RS，則只須找出它的 parent RS，如果產生變化的 RS 是原本已存在的 RS，而其上原本就有許多 MS 連線，所有具有 QoS 參數需求，我們主要的做法就是依照這 QoS 需求，建立符合系統 31.

(40) 的 topology。. 3.3.1 參數定義以下為系統的參數定義 M：BS 的總頻寬 M l ：BS 的剩餘頻寬 ni ： RSi 上的 rtPS 連線總數 RSi ：第 i 個 RS. 政治大. li , j QoS ： RSi 上的第 j 條 QoS 等級連線. 立. ‧ 國. 學. d i , j QoS ：連線 li , j QoS 的 delay 要求 bi , j QoS ：連線 li , j QoS 的頻寬需求. ‧. Di ：第 i 個 RS 所需的 delay 限制. y. Nat. sit. Bi ：第 i 個 RS 所需的總頻寬. n. al. er. io. H i ： RSi 到 BS 所需的 hop 數 ri ： RSi 上的剩餘頻寬. Ch. engchi. i Un. v. K：尚未與 BS 建立連線的 RS 集合. Neighbor( Node A, Node B)：Node A 與 Node B 間是否可進行連線，可以則為 1，否則為 0. P ( RSi ) ： RSi 的 parent node Di = (∑ di , j rtPS ) / ni j. Bi = (∑ bi , jUGS + ∑ bi , j ertPS + ∑ bi , j rtPS ) / ni j. j. j. 3.3.2 Updating Tree Topology without QoS Support. 32.

(41) 當系統中新加入的 RS，是全新進入系統的 RS，還沒有任何 MS 與其連線，則我們不需要考慮 QoS，只需要作 distributed routing，只考慮新的 RS 與其 neighbor 的連線狀況，找它的 parent. RS 即可決定連線 topology，而不需通知 BS。. When the RS joins the network. Have been there any connections on the RS. No. Section 3.3.3. 政治大. 學. ‧ 國. 立. Yes. The RS broadcasts connection request to its neighbors. ‧ y. Nat. sit. Compute the costs between the RS and all its neighbors. The RS will connect with the neighbor RS which has the minimum Cost. er. io. The RS which receives request will send back its residual bandwidth count and modulation data to the original RS. al. n. iv n C 圖 3.8：Updatehtree i U QoS support e ntopology g c h without. 以下為系統此時的演算法： Step 1. 先判斷新進的 RS (New_RS) 上是否有任何含有 QoS 的連線。若有則執行 3.3.3 的 tree topology 演算法，若 New_RS 上沒有任何含 QoS 的連線，則我們只需要找它的 parent. RS 即可，不需更新整個系統的 topology。. Step 2. New_RS 向附近所有 RS 廣播連線建立要求，附近所有 RS 收到後，會回傳剩餘頻寬參數： Available _ Bandwidth( Parent _ Node) 以及之間的調變參數： Modulation( New _ RS , Parent _ Node) 給 New_RS 33.

(42) Step 3.New_RS 收到所有 RS 回傳的資料後，用下列公式找出最低 cost 的 parent RS. Available _ Bandwidth( Parent _ Node) × Modulation( New _ RS , Parent _ Node). 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. Cost = 1. Ch. engchi. 34. i Un. v.

(43) 3.3.3 Updating Tree Topology with QoS Support. RScandidate. RScandidate. M l − Bcandidate < 0. 立. 政治大 RScandidate. ‧ 國. 學 ‧. M l = M l − Bcandidate. P( RScandidate ) = BS. y. RScandidate. n. al. er. io. sit. Nat. H candidate = 1. Ch. e nMgl c h i. i Un. v. 圖 3.9：Update tree topology by connecting RS to BS. 35.

(44) RScandidate RScandidate. RS p Hp. RS p. 政治大. 學. ‧ 國. 立. RScandidate. rp − Bcandidate < 0. ‧. Nat. sit. y. rp = rp − Bcandidate. io. n. al. Ch. er. H candidate = i + 1. P( RScandidate ) = RS p. RScandidate. engchi. i Un. v. Hp. 圖 3.10：Connect RS with load-balance consideration. 如果此時造成系統變動的 RS 是有 QoS 參數的，則系統流程如圖 3.9 與 3.10，也是我們主要研究的目標。以下為系統建立 routing topology tree 的演算法：. 36.

(45) Step 1.首先各 RS 依照目前在其上的所有連線，計算出各 RS 的 QoS 需求。. Bi = (∑ bi , jUGS + ∑ bi , j ertPS + ∑ bi , j rtPS ) / ni ：為 RSi 所需的總頻寬 j. j. j. Di = (∑ di , j rtPS ) / ni ：為 RSi 的 delay 限制 j. 設定 M l =M：BS 目前剩餘頻寬為總頻寬各 RS 將 Bi 與 Di 資訊回傳給 BS，並將所有 RS 加入 K 集合。. Step 2. RScandidate ∈ K and Dcandidate = min { D1 , D2 K DN }. 政治大. 找出 set K 中有最小 Di 的 RS，訂為 RS candidate. 立. If M l − Bcandidate < 0 , Then. Step3. ‧ 國. 學. 將 BS 目前的頻寬扣掉 RS candidate 所需佔用的頻寬。若為負數，代表 BS. ‧. 無剩餘頻寬可用，跳至 Step3. sit. y. Nat. Else If Neighbor( BS , RScandidate ) =0. io. er. 雖然 BS 可滿足 RS 的頻寬需求，但是 RS 與 BS 間不存在連線則繼續選下一個有最小 Di 的 RS，訂為 RS candidate ，重複 Step 2. n. al. Else. Ch. engchi. i Un. v. M l = M l − Bcandidate ：更新 BS 目前剩餘頻寬. P ( RScandidate ) =BS：設定此 RS 的 parent node 為 BS H candidate =1：代表此 RS 與 BS 直接連線，可以得到最低的 delay 代表 BS 可以滿足此 RS 的頻寬需求，並且此 RS 與 BS 之間存在連線，所以讓 BS 與此 RS 建立連線。將 RS candidate 加入 Set S，移出 Set K. 37.

(46) 重複 Step2，直到 BS 的頻寬用完( M l < 0 )或無其他 RS 與 BS 間存在連線。. Hop=1 Parent Node = BS. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 3.11：第一層 RS 建立. Ch. engchi. i Un. v. Step 3.與 BS 連線不需要考慮 load-balance，但是其下的 RS 需要考慮 load-balance，以平衡 loading。 RScandidate ∈ K and Dcandidate =min { D1 , D2 K DN }. 同樣先找出 set K 中有最小 Di 的 RS，訂為 RS candidate For all H i =1 and Neighbor( RSi , RScandidate ) =1 如果此 RS candidate 與 BS 底下第一層的 RS 之間可連線. ri = max ( r1 , r2 ,K rN ) 找出剩餘最大頻寬的 RS，以達到 load-balance 38.

(47) If ri − Bcandidate ≥ 0 如果此剩餘最大頻寬的 RS 可滿足 RS candidate 的頻寬需求 ri = ri − RS candidate. P ( RScandidate ) = RSi H candidate = 2 更新 RSi 的剩餘頻寬 ri. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. Hop=2. 圖 3.12：第二層 RS 建立. Step 4.對於無 delay 需求的 RS，要找附近可連接的 RS，只需以 load-balance 為考量。 For all RScandidate ∈ K and Neighbor( RSi , RScandidate ) = 1 找出 Bcandidate = max { B1 , B2 K BN } 39.

(48) 最後所有 RS 都與其 parent. RS 連接，完成系統 tree topology。. 3.3.4 Scheduling. 當系統的 tree topology 重新建立完成後，我們就可以依照 tree topology 所建立的連線來進行傳送與接收，每個 OFDMA Frame 可以與相鄰的 node 溝通，當系統架構如圖 3.13 時：. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3.13：系統 topology. 圖 3.14：系統 frame 架構圖如圖 3.13，RS1 與 MS1 直接與 BS 進行連接，所以 BS 為 RS1 與 MS1 的 parent node，RS 1 是 RS2、MS2 的 parent. node，RS1 的 hop 數為 1，RS2 是 RS3、 40.

(49) MS3 的 parent. node，hop 數為 2，RS3 為 MS4 的 parent. node，hop 數為 3。. 依照圖 3.14，當 frame k 時，BS 可以與 RS1、MS1 溝通，則下一個 frame， frame k+1 時，RS1 可以與 RS2、MS2 進行溝通，其他 frame 以此類推。在每個 frame 時，parent. node 可以與在其下的 RS 或 MS 進行溝通，所以距離 BS 的 hop. 數若是越大，則很明顯 delay 會明顯上升，jitter 也因此會更不穩定。基本上我們的 scheduling 是依據以上方法進行排班，每個 frame 會讓同一層的 node 進行溝通，hop 數相同的 RS 會在同個 frame 進行傳送。因為我們在設計系統 tree topology 時，會將非即時性連線的 RS 排至離 BS 較遠的位置，所以這些 RS 的 Hop 數會較高以避免影響高 QoS 的連線，因此為. 治政了更確保高 QoS 連線的優先權，我們選擇以 strict priority 大來進行每個 RS 的內部立排班。只有當每個高 QoS 連線的頻寬需求都被滿足時，才會進行非即時性 QoS ‧ 國. 學. 連線的 scheduling。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 41. i Un. v.

(50) 第四章模擬實驗與數據分析模擬實驗是使用 NS2（Network Simulator, version 2）[14][15] 2.33 版本 + Light WiMAX Simulator (LWX) 模組進行模擬。我們對 LWX 模組進行了部分修改以符合我們的網路環境與架構。如我們使用 non-transparent 的架構，必須支援. 政治大. 1 個以上的 RS 以進行轉傳，並將我們設計的 tree topology based path selection 方. 立. 法寫入模組中，最後依照所設計的流程圖進行模擬，以下為我們進行實驗時的參. ‧. ‧ 國. 學. 數設定。. Simulation Parameter. sit. 10 MHz. n. al. er. io. Frame duration. y. Nat. Channel bandwidth. Value. Minislots in a frame. Ch. MAC PDU size. engchi. i Un. v. 20 ms 400. 200 bytes. Modulation. AMC. Queue size. 100 packets. Max. request retries. 7. Traffic model. Poisson process. Downlink / Uplink bandwidth ratio. 3：1. Access / Relay bandwidth ratio. 1：1 表 4.1：模擬參數. 42.

(51) 我們的方法是針對高 QoS 的連線進行改善。目的是在讓有即時連線的 MS 與 BS 之間的 Relay 數量降低，避免 Relay 數增加時造成 delay 與 jitter 的上升，並期望能達到 load-balance，所以我們設計了兩個實驗來模擬並驗證我們的作法，並加入了第二章相關研究[8]中的作法以進行比較，. 4.1 實驗一實驗一： Evaluate Delay Improvement By MS Count. 實驗的環境設定為 1 個 MR-BS 與 12 個 RS，並在各 RS 的周圍以亂數方式分布 MS，以不同的 MS 數量進行模擬，每個 MS 上有 1 條連線，連線等級為從. 治政 UGS、ertPS、rtPS、nrtPS、BE 五種等級中取一。如果各大 QoS 的連線數量為 5~12 立條，而 MS 數量為 25~60 個，以此驗證在不同的網路負荷環境下，我們的方法會 ‧ 國. 學. 得到怎樣的效能變化與改進。. ‧. sit. y. Nat. 因為我們的方法是以高 QoS 優先權的連線為優先進行連線，所以模擬實驗. io. er. 將以高 QoS 的連線如 UGS、ertPS、rtPS 三種連線來作分析。在不同環境下分別以 average delay 與 average jitter 來做比較。當固定 BS 與 RS 數量時，系統的 MS. al. n. iv n C 數量從 25 個開始進行模擬，得到系統在此情況下的 h e n g c h i U average delay、average jitter. 與 hop count (MS 至 BS 所需經過的 hop 數)，接著將 MS 數量依序增加至 30 個、 35 個、40 個、45 個、50 個、55 個、60 個，分別進行模擬後算出各自的 average delay、average jitter 與 hop count 數，如圖 4.1~4.7。. 43.

(52) 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 每個 RS 的內部排班圖 4.1：UGS Average delay. y. Nat. io. sit. 圖 4.1 表示 UGS 連線在不同的 MS 數量下所造成 average delay 的變化，當系統. n. al. er. MS 的數量上升時，代表系統的負載也越來越大，BS 與 RS 開始無法負荷增加. Ch. i Un. v. MS 所造成的過多連線，因此造成 UGS 連線的 delay 開始上升。但是由於 UGS. engchi. 是優先權最高的連線，所以 delay 的上升非常緩慢，在 MS 數達到 60 個時也不會造成 delay 過大，而且三個方法並不會造成太大的差異。. 44.

(53) UGS Delay Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). 12.59%. 8.55%. 30. 9.29%. -0.85%. 35. 13.86%. 4.57%. 40. 14.17%. 7.80%. 45. 立. 50. 10.57% 政治大 11.31%. 9.37% 3.53%. 60. 10.00%. 6.67%. Average. 11.96%. ‧. 10.24%. 6.23%. Nat. n. al. er. io. sit. 表 4.2：UGS Delay 數據分析. y. ‧ 國. 13.90%. 學. 55. i Un. v. 由表 4-2 可以發現，以 UGS 連線來說，我們的方法只比 standard 與 ERRI 方法增加約 6%~10%的效能。. Ch. engchi. 45.

(54) 學. ‧ 國. 立. 政治大. 圖 4.2：ertPS Average Delay. ‧ sit. y. Nat. 圖 4.2 表示 ertPS 連線在不同的 MS 數量下所造成 average delay 的變化，因為 ertPS. n. al. er. io. 也是高優先權的連線，由系統主動提供頻寬需求，但是當 MS 的數量開始超過. i Un. v. 45 個時，standard 與 ERRI 的 ertPS 連線還是會因為系統負載過大而造成 delay. Ch. engchi. 的快速上升，這時我們的方法就會得到較好的效能。因為我們的方法可以在系統壅塞時優先讓高 QoS 的連線進行連接，所以 ertPS 連線的 delay 不致上升太高。. 46.

(55) ertPS Delay Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). -0.52%. 0.61%. 30. 2.77%. 1.39%. 35. 6.16%. 2.59%. 40. 15.87%. 4.98%. 45. 立. 50. 23.22% 政治大 36.26%. 9.79% 9.91%. 60. 47.12%. 35.02%. Average. 21.33%. ‧. 26.68%. 11.37%. Nat. n. al. er. io. sit. 表 4.3：ertPS delay 數據分析. y. ‧ 國. 39.79%. 學. 55. i Un. v. 由表 4-3 可以發現，在 ertPS 連線上，我們的方法效能平均可以進步到 10%~20%，. Ch. 比起 UGS 連線有更明顯的改進。. engchi. 47.

(56) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學圖 4.3：rtPS Average Delay. sit. y. Nat. 圖 4.3 表示 rtPS 連線在不同的 MS 數量下所造成 average delay 的變化。rtPS 優. io. er. 先權較低，不像 UGS 與 ertPS 連線都是由 RS 或 BS 主動給予頻寬的，因此 delay 比起 UGS 連線與 ertPS 連線會上升較快。但我們的方法在計算時將 UGS、ertPS、. al. n. iv n C rtPS 三種連線的 delay 合併計算，類似於將的優先權提升至 UGS 與 ertPS h e n g c hrtPSi U. 的地位，可以有效提升 rtPS 連線的穩定性。所以由圖 4.3 可以發現 tree topology based method 的 rtPS 連線，比起另外兩個方法有明顯的提升。. 48.

(57) rtPS Delay Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). 2.14%. 0.73%. 30. 8.74%. 2.74%. 35. 6.31%. 3.48%. 40. 27.91%. 16.19%. 45. 立. 50. 25.07% 政治大 45.45%. 21.94% 37.19%. 60. 108.58%. 91.11%. Average. 36.73%. ‧. 62.77%. 29.52%. Nat. n. al. er. io. sit. 表 4.4：rtPS Delay 數據分析. y. ‧ 國. 69.65%. 學. 55. i Un. v. 由表 4-4 來看，在 rtPS 連線上，我們的方法能有 30%以上明顯的進步，比起其他連線有最大的改進。. Ch. engchi. 49.

(58) 立. 政治大. er. io. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. Nat. 圖 4.4：UGS Average Jitter. 圖 4.4 代表的 UGS 連線在不同方法下的 Jitter 的變化。因為 UGS jitter 本來就很. al. n. iv n C 低，雖然圖表看起來不夠平穩，但實際上三個作法差別不大，變化量也很小。 hengchi U. 50.

(59) UGS Jitter Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). 13.10%. 4.21%. 30. 12.86%. 3.93%. 35. 12.00%. 3.55%. 40. 11.99%. 6.93%. 45. 立. 50. 4.76% 7.56%. 16.39%. 5.08%. ‧. 5.37%. io. n. al. sit. Nat. 表 4.5：UGS Jitter 數據分析. y. 13.28%. er. Average. ‧ 國. 60. 14.57%. 6.93%. 學. 55. 12.33% 政治大 13.00%. Ch. engchi. 51. i Un. v.

(60) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 4.5：UGS Jitter Fill Rate. ‧. sit. y. Nat. 圖 4.5 代表的 UGS 連線在不同方法下的滿足率，因為 UGS 連線的 QoS 需求. io. 無法滿足的 UGS 連線。. er. 主要為 jitter，一旦連線的 jitter 值超過原本的 QoS 限制時，我們會將此連線視為. al. n. iv n C 由上圖可以看出，當系統 loading 連線的滿足率為 100%， h e n低的時候，UGS gchi U. 當系統 loading 開始變高時，會開始有 UGS 連線的 jitter 值超過限制。因為模擬環境設定 UGS 連線為 MS 數量的 1/5，UGS 連線數量只有 5~12 條，因此只要多 1 條 UGS 連線能符合 QoS 限制，就會造成滿足率上很大的差距，所以 tree topology based 方法在 UGS 連線滿足率的改進，會比在 delay 與 jitter 的改進還大。. 52.

(61) UGS Jitter Fill Rate Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). 0.00%. 0.00%. 30. 0.00%. 0.00%. 35. 16.67%. 0.00%. 40. 14.29%. 14.29%. 45. 立. 50. 12.50% 0.00%. 24.94%. 11.07%. ‧. 8.26%. 表 4.6：UGS Jitter Fill Rate 數據分析. io. sit. Nat. y. 15.65%. n. al. er. Average. ‧ 國. 60. 12.50%. 28.21%. 學. 55. 治政 28.21% 大 28.57%. Ch. engchi. 53. i Un. v.

(62) 政治大. 立. ‧ 國. 學 ‧. 圖 4.6：ertPS Average Jitter. sit. y. Nat. 圖 4.6 代表的 ertPS 連線在不同方法下 jitter 的變化，tree topology based method. io. er. 因為減少了 ertPS 連線與 BS 之間的 hop 數，所以 jitter 比起其他方法較為穩定，在 loading 高時增加的較緩慢。. n. al. Ch. engchi. 54. i Un. v.

(63) ertPS Jitter Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). 37.99%. 2.88%. 30. 46.20%. 6.29%. 35. 46.64%. 3.59%. 40. 47.00%. 19.37%. 45. 立. 50. 47.21% 政治大 55.74%. 24.80% 20.29%. 60. 77.50%. 61.10%. Average. 54.17%. ‧. 59.50%. 24.73%. Nat. n. al. er. io. sit. 表 4.7：ertPS Jitter 數據分析. y. ‧ 國. 75.05%. 學. 55. Ch. engchi. 55. i Un. v.

(64) 學. ‧ 國. 立. 政治大. 圖 4.7：rtPS Average Jitter. ‧. 圖 4.7 代表 rtPS 連線在不同方法下的 jitter 的變化，rtPS 連線因為優先權較低，. sit. y. Nat. 無法像 ertPS 連線一樣讓 jitter 保持在低點，但因為 tree topology based method 提. n. al. er. io. 供了 rtPS 連線較高的優先權，所以 rtPS 連線的 Jitter 可以維持穩定的上升，且數值遠低於其他兩種方法。. Ch. engchi. 56. i Un. v.

(65) rtPS Jitter Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). 16.36%. 1.22%. 30. 40.43%. 2.75%. 35. 83.86%. 43.70%. 40. 124.81%. 66.80%. 45. 立. 50. 143.76% 政治大 126.99%. 97.41% 82.59%. 60. 127.99%. 84.67%. Average. 97.97%. ‧. 91.75%. Nat. io. n. al. er. 表 4.8：rtPS Jitter 數據分析. y. 58.86%. sit. ‧ 國. 119.56%. 學. 55. i Un. v. 由表 4.8 來看，我們的方法在 rtPS jitter 上比起 rtPS delay 有更大幅度的改進。這. Ch. engchi. 是因為 rtPS 連線不是由 BS 自動給予頻寬，而是必須向 BS 請求頻寬後再取得，所以 hop 數的增加，容易影響 BS-MS 間溝通的 delay，因此減少 hop 數能有效降低 BS 與 MS 間的 jitter。. 57.

(66) 立. 政治大. Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 學圖 4.8：Average Hop Count. io. er. 圖 4.8 代表系統在不同的 loading 狀況下，高 QoS 連線在不同的方法下與 BS 間的 hop 數變化量。高 QoS 連線包括 UGS、ertPS、rtPS 三種連線，因為我們的方. al. n. iv n C 法是針對高 QoS 的 hop 數做改善，所以很明顯 h e n g c h ihopU數比另外兩個方法低。. 58.

(67) Average Hop Count Compared with. Standard. ERRI. 25 (node). 37.49%. 32.69%. 30. 38.77%. 42.55%. 35. 69.24%. 55.39%. 40. 104.94%. 80.82%. 45. 立. 62.52%. 61.38%. 60. 81.60%. Average. 64.11%. 49.14% 62.58% 55.89%. io. sit. 表 4.9：Average Hop Count 數據分析. n. al. er. Nat. y. 43.99%. ‧. 55. 61.47%. 學. ‧ 國. 50. 治政75.52% 大. Ch. i Un. v. 從模擬實驗一的數據圖表來看，我們可以發現 tree topology based 的 path. engchi. selection 在 UGS、ertPS、rtPS 三種高 QoS 的連線上，對於 delay 與 jitter 及 hop count 的表現都優於 standard 與相關研究中的 ERRI 方法。雖然 ERRI 方法有針對 MS 進行更改來做 path selection，UGS 連線數據應該要比 tree topology 更好，但是實際上 tree topology 仍然優於 ERRI，這是因為我們的方法已經將低 QoS 的 RS 移往離 BS 較遠的 hop，如此可以避免排擠到其他高 QoS 的連線，讓高 QoS 連線取得更多頻寬。並且 ERRI 方法也忽略了 hop count 的影響，所以 tree topology based 方法的 jitter 數據比 delay 有更好的提升，所以即使 tree topology based 方法沒有對 MS 做變動以配合路徑修改，但是在高 QoS 連線上仍然可以得到更好的效能。 59.

(68) 4.2 實驗二：實驗二： Load-Balance Evaluation. 實驗環境為 12 個 RS 數量與 45 個 MS 數量，觀察在同一環境下，當系統開始壅塞時，考慮有 load-balance 功能的作法與其他作法的差異。如果沒有考慮 load-balance，則連線容易擠在連線品質較好的 RS，造成 congestion 而使得部分 RS 過於擁擠而其餘 RS 閒置或效率降低。因此我們在固定的環境下分別以不同作法來進行模擬，觀察在系統 loading 變大時，是否有發生 congestion 而造成 packet dropping rate 的上升。如果有做好 load-balance，可使流量分配較平均，各 RS 不. 政治大. 致過於擁擠而造成封包的 dropping rate 上升。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 60. i Un. v.

(69) 立. 政治大. Nat. io. sit. y. ‧. ‧ 國. 學圖 4.9：Packet Dropping Rate. n. al. er. 由上圖可以發現，ERRI 方法在 loading 最高時，drop rate 會是最高的，因為 ERRI. Ch. i Un. v. 方法沒有考慮 load-balance，會造成連線集中在部分品質較好的 RS，容易發生. engchi. congestion。我們的方法是依照 RS 剩餘頻寬的大小來進行分配，所以可以避免 congestion 的發生，在 loading 最高時 drop rate 也沒有很明顯的上升。. 61.

(70) Packet Drop Rate Compared with. Standard. ERRI. 10 (second). 63.67%. 23.67%. 15. 37.85%. 17.61%. 20. 60.82%. 20.03%. 25. 64.18%. 105.95%. 30. 75.56%. 100.55%. 立. 140.15%. 95.79%. 50. 27.36%. Average. 55.49%. 10.48% 8.49%. ‧. 69.99%. 46.33%. sit. Nat. 45. 36.38%. 學. ‧ 國. 40. 治政 59.72% 大. y. 35. n. al. er. io. 表 4.10：Packet Drop Rate 數據分析. Ch. engchi. 62. i Un. v.

(71) 第五章結論與未來展望近年來由於網路型態及網路應用的改變，舊有的有線網路已無法滿足人們的需求，尤其近年來許多無線行動裝置的興起，如筆記型電腦、智慧型手機、智慧家電、行動載具等，都需要無線網路的支援。但是現存的 Wi-Fi 無線網路因為距離. 治政及頻寬的限制，無法滿足日益增長的網路需求，因此產生了傳輸距離長且可支援大立高頻寬的 IEEE 802.16 (WiMAX)，後續並發展了可行動傳輸的 IEEE 802.16e 及支 ‧ 國. 學. 援轉傳的 IEEE 802.16j，雖然補足了許多以往 802.16 的缺點，但也衍生了相關問. ‧. 題。. sit. y. Nat. io. er. 因為 802.16j 支援 relay station，使得網路 topology 改變，原本單純的 end-to-end 傳送變為 hop-by-hop 方式，產生了新的路徑選擇問題。不當的路徑選擇會造成. al. n. iv n C 效能的降低或是 congestion。第二章中有介紹一些在 h e n g c h i U 802.16j 上 path selection 的. 相關研究，這些研究的主要概念都是以路徑上的參數為考量，像是 hop 間連線品. 質越好，可得頻寬越高，經過 hop 數越低，則這條路徑會是較好的路徑。雖然比起原始做法已經有很好的效果，但是仍留下一些問題。. 我們提出了 tree topology 為基礎的 path selection 方式，將各 BS 與 RS 底下的連線依 QoS 分級，優先分配 delay 需求最低的連線與 BS 連接，再依照 delay 需求去建立其他連線。待 BS 頻寬用完後，再接著分配各 RS 的連線，一層一層分配下去，建立出類似 tree topology 的連線方式，使得連線可依照建立的 topology 進行傳送。因此低 delay 及低 jitter 需求的高 QoS 連線，能夠經過較少的 Hop 抵 63.

(72) 達 BS，以此降低 delay 並穩定 Jitter，並支援 load-balance，避免發生 Congestion 所造成的封包遺失及浪費。. 經由第四章的實驗我們可以發現，我們的方法在 UGS、ertPS、rtPS 三項需要低 delay 與穩定 Jitter 的連線，皆有明顯的效能提升，並降低了連線與 BS 之間的 hop 數。尤其是在 rtPS 連線上幫助更大，除此之外，我們的方法也提供了 load-balance，減少了 congestion 的發生並降低封包的 drop rate。. 本研究目前仍有部分可改善的空間，像是目前並未將各 node 間的 modulation. 治政納入更深一層的考量，只考慮了新 RS 與 BS 或其他大RS 間的 modulation。若能在立降低 hop count 的前提下，將 modulation 納入考量再建立 tree topology，不僅能降 ‧ 國. 學. 低 delay 也能提升整體傳輸效率，讓 modulation 品質好的連線不會被排擠，相信. ‧. 會得到更好的效果。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 64. i Un. v.

(73) 參考文獻 [1] “Air interface for fixed broadband wireless access systems,” IEEE Std 802.16-2004, Oct. 2004. [2] “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems, amendment for physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operation in licensed bands,” IEEE 802.16e-2005, Feb. 2006. [3] “IEEE standard for local and metropolitan area networks; Part 16: Air interface for. 政治大 specification,” IEEE P802.16j/D6, Jul. 2008. 立. fixed and mobile broadband wireless access systems multi-hop relay. ‧ 國. 學. [4] V. Genc, S. Murphy, Y. Yu and J. Murphy, "IEEE 802.16j relay-based wireless access networks: An overview," IEEE Wireless Communications Magazine, Vol.. ‧. 15, No. 5, October 2008.. Nat. sit. y. [5] S.W., Peter and R.W., Heath, “The future of WiMAX: multihop relaying with. al. n. 104-111, 2009.. er. io. IEEE 802.16j,” IEEE Communications Magazine 2009 (MCOM 2009). pp.. Ch. engchi. i Un. v. [6] S. Ann, K. G. Lee, and H. S. Kim, “A path selection method in IEEE 802.16j mobile multi-hop relay networks,” 2nd International Conference on Sensor Technologies and Applications (SENSORCOMM), August 2008. [7] G.Q. Wang, et al., “MMR network end-to-end routing and connection management,” IEEE C802.16j-07/092, Jan. 2007. [8] S.S. Wang, H.C. Yin, Y.H. Tsai and S.T. Sheu (2007, July).”An effective path selection metric for IEEE 802.16-based Multi-hop relay networks,” in IEEE symposium on computers and communications. pp. 1051–1056, July 2007 [9] B. Wang and M. Mutka, “Path selection for mobile stations in IEEE 802.16 65.

(74) multihop relay networks,” in Proceedings of International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks, Jun. 2008, pp. 1–8. [10] D. M. Shrestha, S. H. Lee, S. C. Kim, and Y. B. Ko, ”New approaches for relay selection in IEEE 802.16 mobile multihop relay networks,” in Proceedings of 13th International Euro-Par Conference, Aug. 2007, pp. 980–959. [11] Kuei-Ping Shih, Sheng-Shih Wang and Chan-Ying Lien, ”A high spectral efficiency and load-aware metric for path selection in IEEE 802.16j multi-hop relay networks,” in Computers and Communications, 2009. ISCC 2009. [12] Hongtao Zhang, Xiaoxiang Wang and Yihua Huang, “A novel path selection. 治政 mechanism for IEEE 802.16j network” in Vehicular 大Technology Conference (VTC 立 2010-Spring), 2010 IEEE 71st ‧ 國. 學. [13] Ben-Jye Chang, Ying-Hsin Liang and Shin-Shun Su, “Adaptive competitive. ‧. on-line routing algorithm for IEEE 802.16j WiMAX multi-hop relay networks” in. sit. y. Nat. Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2009 IEEE 20th. io. al. er. International Symposium. pp. 2197-2201, Sept 2009 ,. n. [14] “The network simulator 2 (ns-2),” http://www.isi.edu/nsnam/ns/, retrieved May 15, 2010.. Ch. engchi. i Un. v. [15] “ns-2 module for IEEE 802.16,” http://cnlab.kaist.ac.kr/802.16/ieee802.16.html, retrieved May 19, 2010.. 66.

(75)