IEEE 802.16j網路具服務品質感知的HARQ與調適性路徑選擇機制之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

IEEE 802.16j 網路具服務品質感知的 HARQ 與調適性路徑選

擇機制之研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-004-005- 執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立政治大學資訊科學系 計 畫 主 持 人 ： 張宏慶 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：胡建彪 碩士班研究生-兼任助理人員：王鐘毅 碩士班研究生-兼任助理人員：李佩璇 碩士班研究生-兼任助理人員：翁偉迪 碩士班研究生-兼任助理人員：黃柏硯 碩士班研究生-兼任助理人員：李昀峻 碩士班研究生-兼任助理人員：許華元 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 101 年 10 月 31 日

中 文 摘 要 ： WiMAX 技術已發展多年，也相繼提出許多不同的標準，像是 已成熟的 IEEE 802.16d、支援移動性的 IEEE 802.16e，以及 支援行動多重跳接中繼網路(Mobile Multi-hop Relay，MMR) 的 IEEE 802.16j。在 IEEE 802.16j 標準中提出了可以轉傳 資料的 Relay Station (RS) ， 以延伸網路覆蓋範圍 (coverage extension) 並提升系統傳輸效能(throughput enhancement)。然而在此彈性架構下也衍生出一些新的問 題，在本計劃中我們將針對以下兩個層面的議題做探討：(1) 在 MMR 中由於多了中繼傳輸站來傳送資料，需要有較多的連 線頻道，然而不能保證所有頻道都有良好的通訊狀況，因此 容易增加資料傳送失敗的機率。在 IEEE 802.16-2004 就被 提出的「混和自動重傳要求(Hybrid Automatic RepeatreQuest，HARQ)」便是用來保證資料傳遞成功的機 制。然而我們發現該 HARQ 機制在 IEEE 802.16j 中是不具效 率的，也無法確保 QoS (Quality of Service)的要求。我們 擬改善[2]所提出的 Dynamic Pre-allocation HARQ (DP-HARQ)機制，藉由考慮 slot 分配不足及封包發生非連續錯誤 時造成延遲時間增加等問題，並加入具服務品質感知(QoS aware)的機制，以降低整體延遲時間(delay)並能有效提高吞 吐量(throughput)。(2) IEEE 802.16j 的網路拓樸(network topology)為類似 tree 的架構，傳輸路徑可能是 two-hop 甚 至 multihop 的方式，因此有多重路徑(multipath)的問題： 當 IEEE 802.16j 增加 RS 後，BS 和 MS 間的路徑不再唯 一。此外，BS、RS 與 MS 間的網路品質會隨著時間變化，特 別是系統中 NRS (Nomadic Relay Station)及 MRS (Mobile Relay Station)具有移動性，其路徑需適時的配合改變，否 則可能會嚴重影響效能。我們擬加入可移動性的 NRS 與 MRS，並配合連線的 QoS 要求，在系統中選擇中最適當的路 徑，並提供 congestion control，以提昇系統整體效能。因 此本計劃旨在針對以上兩大議題，提出在 IEEE 802.16j 行 動多重跳接中繼網路上分別以「具服務品質感知的混和自動 重傳機制」以及「具調適性的路徑選擇機制」以提昇 IEEE 802.16j 的網路品質。 中文關鍵詞： 全球互通微波存取行動多跳接中繼網路(IEEE 802.16j MMR)，服務品質感知(QoS)，混合式自動重送請求(ARQ), 調 適性路徑選擇

英 文 摘 要 ： WiMAX technology has been developed for many years. Many standards have been proposed in the recent years, such as IEEE 802.16d, IEEE 802.16e for

(MMR). The major purpose of MMR is to efficiently extend the coverage of base stations, solve the shadow fading problem, and enhance throughput by adding Relay Station (RS) in their system

architecture. However, this flexible architecture also derives some new problems. In this project, we will address the following two issues: (1) Because of the MMR Relay Station, we need more channels to

transmit packets. However we cannot guarantee that all channels are in good condition, there might be a high probability of failure transmission. The Hybrid Automatically Repeat reQuest (HARQ) proposed in IEEE 802.16-2004 is not sufficient for IEEE 802.16j. Besides it can not help to meet QoS (Quality of Service) requirements. (2) IEEE 802.16j network topology is a tree structure, the transmission path may be either two-hop or multihop. There exists multipath problem under this network architecture. When there are RSs in IEEE 802.16j, the routing paths between BS and MS are no longer unique. In addition, network quality among BS, RS and MS may change over time. Moreover, both NRS (Nomadic Relay Station) and MRS (Mobile Relay Station) support mobility, the paths should be dynamically changed due to movement of NRS and MRS. In this project, we aim to solve the two issues by proposing QoS aware HARQ and adaptive path selection mechanisms for the purpose of

performance improvement in terms of delay reduction and throughput enhancement.

英文關鍵詞： WiMax (Ieee 802.16j) Mobile Multihop Relay (MMR), Quality of Service (QoS), Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ), Adaptive Path Selection

IEEE 802.16j 網路具服務品質感知的 HARQ 與調適性路徑選擇

機制之研究

摘要

在 IEEE 802.16j 標準中提出行動多重跳接中繼網路(Mobile Multi-hop Relay， MMR)。該架構包括了可轉傳資料的中繼站(Relay Station，RS)，以延伸網路覆蓋 範圍(coverage extension)並可提升系統傳輸效能(throughput enhancement)。然而在 MMR中由於多了中繼傳輸站來傳送資料，需要較多的連線頻道。然而不能保證 所有頻道都維持良好的通訊狀況，因此容易有較高的資料傳送失敗率。在 IEEE 802.16-2004 中提出的「混和自動重傳要求(Hybrid Automatic Repeat reQuest， HARQ)」便是用來保證資料傳遞成功的機制。然而我們發現 HARQ 機制在 IEEE 802.16j中是不具效率的，也無法確保 QoS (Quality of Service)的要求。在本篇論 文中，我們提出以「具服務品質感知的混和自動重傳機制」，以改善[3]所提出的 Dynamic Pre-allocation HARQ (DP-HARQ)機制。我們藉由分析 slot 分配不足及封 包發生非連續錯誤時造成延遲時間(delay)增加等問題，加入具服務品質感知(QoS aware)的機制，以降低整體延遲時間並有效提高吞吐量(throughput)。

關鍵字：行動多重跳接中繼網路(MMR)、混和自動重傳(HARQ)、服務品質感知 (QoS aware)

一、背景及相關研究

現今無線接取網路(Radio Access Network) 架構主要由基地台(Base Station， BS)與用戶端(Subscriber Station，SS)所組成。藉由網路規劃可將基地台置於適當 地點以確保在有限傳輸功率下使訊號完整覆蓋特定區域。然而實際情況是當基地 台傳送資料給用戶端時，雖然用戶端位於基地台的涵蓋範圍內，仍有可能會因為 地形地物而產生訊號遮蔽(shadow fading)效應。此外為擴大基地台涵蓋範圍，在 IEEE 802.16j中加入中繼站(RS)以轉傳資料。RS 將從基地台接收到的訊號轉送給 用戶端。藉由適當佈建 RS 可使訊號避開不理想的傳播路徑以減少衰減，同時在 轉傳訊號時可藉由調高功率，以加強用戶端接受到的訊號品質。

1.1 Access link和 relay link

在 IEEE 802.16j 網路中，MS 可依據連線品質決定要與 MR-BS (Mobile Relay-Base Station)連線或透過 RS 與 MR-BS 連線。 IEEE 802.16j 定義了 access

link與 relay link 兩種連線。Access link 包括 MS 與 RS 或 MS 與 MR-BS 的連線。 Relay link包括 RS 與 MR-BS 或 RS 與 RS 的連線 。

1.2 IEEE 802.16j的 frame 架構

IEEE 802.16j採用正交分頻多重擷取(OFDMA)技術，其多載波及多通道特性 可同時支援多個用戶端。因為 RS 的出現，IEEE 802.16j 定義了兩種 frame 的架 構：transparent relay frame structure 及 non-transparent relay frame structure。在 WiMAX 中一個 frame 可切割成上行(UL) subframe 及下行(DL) subframe。UL subframe包括上行資料和 ranging subchannel，DL subframe 包括 DL access zone 及 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 等待接收 MR-BS 的訊號後並依收到的指令在 optional transparent zone 傳送資料 給使用者。MR-BS 在這段時間可選擇是否與 RS 或 MS 溝通。DL_MAP 和 UL_MAP是用來通知使用者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 RS 的存在。

Non-transparent relay frame structure與 transparent relay frame structure 相同， 將一 frame 分割成 DL subframe 與 UL subframe。此兩種 frame 又分成 access zone 與 relay zone。Access zone 為 access link 的資料傳輸區間，relay zone 為 relay link 的資料傳輸區間。Non-transparent relay frame structure 與 transparent relay frame structure有同樣的 UL subframe，而 DL subframe 中也同樣包含 FCH、DL_MAP、 UL_MAP和下行使用者資料。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 structure 與 MR-BS 相同。DL access zone 也包括 preamble、FCH、DL_MAP、UL_MAP 和下行使用者資料。RS 需要轉傳 MR-BS 發送給自己的 preamble。在 DL relay zone 中，RS 會接收來自 MR-BS 的資料並 在下一個 frame 中做轉傳的動作。

1.3 錯誤控制(error control)

無線資料的傳播，可能會因傳輸通道品質快速變化、多重路徑或訊號衰減等 因素導致封包在傳輸過程中發生遺失或錯誤的現象。因此需要錯誤控制(error control)機制使封包能因為重傳或錯誤更正而正確無誤的傳到目的地。錯誤控制 的方法大致可分為順向錯誤更正 FEC (Forward Error Correction)及自動重送要求 ARQ (Automatically Repeat reQuest)。FEC 利用 error correction codes 先將資料編 碼後再傳送出去。當接收端發現錯誤時，可利用編碼機制，在容許的錯誤範圍內， 將資料更正回來，屬於單向系統。ARQ 是利用 error correction codes 將資料編碼

後再傳送，若在接收端發生錯誤，利用 feedback channel 回傳正回應(ACK)或負 回應(NACK)給發送端，以表示該封包被正確接收或錯誤接收。然後再由發送端 研判是否需要重傳封包，是屬於雙向系統。當通道錯誤率升高時，FEC 須有更多 的冗餘位元(redundancy)，而 ARQ 則需要較多次的重傳，兩者都會造成系統傳輸 率 降 低 。 因 此 一 種 結 合 FEC 與 ARQ 方 法 的 混 合 自 動 重 送 要 求 (Hybrid Automatically Repeat reQuest，HARQ)機制便被提出。HARQ在802.16e即被提出， 我們也採用 HARQ 機制，其所包含的 FEC 可滿足即時串流的需求。

1.4 Multi-hop relay上的 ARQ 機制

在 IEEE 802.16j 制定出完整的標準時，已有許多研究探討 multi-hop relay 在 WiMAX [4][5]上的可行性，並使用 ARQ 錯誤控制機制讓多重跳躍的中繼傳輸較 為穩定。有關 ARQ 機制在 multi-hop relay 的研究，大致分為以下三種

1.4.1 End-to-end 中繼傳輸站只需轉傳封包及回傳 feedback 訊息，並不做其它處理。此種傳送 方式最為簡單，並且可處理換手(handover) 問題，因為傳送端可以知道所有傳輸 封包的狀態。此方式雖然簡單卻有許多缺點。假使中繼站成功接收傳送端的封包， 卻在目的接收端發生錯誤，其所需要重傳的延遲時間非常長，且沒有效率。 1.4.2 Hop-by-hop 中繼站不僅轉傳資料，也需要回傳自己的 feedback 訊息，因此各個連線(link) 是獨立運作的。不論資料是在哪個跳躍點(hop)發生傳輸錯誤，都可以各自回覆 錯誤封包，此機制具有高效率及低延遲時間的優點。但是如此會增加中繼站的複 雜度，並且封包可能會因為各連線只考慮本身狀態而被滯留在 RS 的 queue 中。 此外，若要進行換手，須提供額外資料讓該節點可以知道其它連線的狀態。 1.4.3 Relay

Jeon [4]所提出的ARQ機制結合end-to-end ARQ及hop-by-hop ARQ的優點， 使得整體效率不但提升，也可降低延遲時間。其主要概念是除了讓 RS 用如同 hop-by-hop 的 方 式 傳 送 外 ， 當 RS 成 功 接 收 資 料 封 包 後 ， 需 回 傳 一 個 RS-ACK/RS-NACK加上 ACK/NACK 給 BS 以區別資料是在 RS 或 MS 被傳送成 功。

在 IEEE 802.16 中，傳送資料的模式分為兩種，一為集中式的點對多點(Point to Multiple Point，PMP)模式，另一為分散式的網格(mesh)模式。在 802.16j 中， 由於其訊號控制及資料傳輸排程或重傳資料，都需由基地台管理，其運作屬於 PMP 模式。對於 HARQ 封包的傳送，其回應的 ACK/NACK 訊號需回傳給基地 台以重新排程下次所需傳送的封包。而每個封包所需傳送的時間、來源端以及目 的地都安排在特定的 slot 中傳送。 在 802.16j 中，此運作方式雖然方便，卻帶來許多問題。假設中繼站成功接 收傳送端的封包，卻在目的地接收端發生錯誤，重傳的延遲時間非常長且沒有效 率。Cheng [3]指出若要使 802.16j 減少封包傳送的延遲時間，最主要的傳輸模式 是類似於 relay ARQ 的傳輸方式，使封包的重傳在 RS 上就可以運作。但 802.16j 中的 HARQ 是在 BS 中，需先決定 DL_MAP 中所有 slot 或 burst data 要讓誰傳送， RS不可自己重傳封包給下層的 station。要使 802.16j 達到此目的，主要方法是讓 MR-BS在安排傳送資料時，預先保留一部分的 slot 給 RS。如此，若封包傳送失 敗，RS 就可立即利用預先保留的 slot (pre-allocated slot)來重傳封包。如此，可降 低封包延遲時間並提升資料傳輸效率。

二、研究方法

在本篇論文中，我們擬提出一個改善[3] 之 Dynamic Pre-allocation HARQ (DP-HARQ)的「具服務品質感知的混和自動重傳機制」。藉由分析 slot 分配不足 及封包發生非連續錯誤時造成延遲時間(delay)增加等問題，加入具服務品質感知 (QoS aware)的機制，以降低整體延遲時間並有效提高吞吐量(throughput)。本研 究方法分為以下幾個步驟：

2.1 分配 pre-allocated slot 的限制(total slot limit)

HARQ在傳送即時性封包時，若通道的錯誤率上升，HARQ 可利用自動重傳 要求(ARQ)來解決 FEC 在解碼器上需要更多冗餘位元的問題，也可增加封包傳 送的穩定性。HARQ 在封包傳送時，若有足夠的 pre-allocated slot 是可以無限制 地增加。但實際上總 slot 數是有限制的，所以在發生封包傳送錯誤而需要增加 pre-allocated slot時，必須限制在總 slot 數之下才算合理。因此每當 MR-BS 在安 排增加各個 link 時，需先判斷增加 pre-allocated slot 時，是否控制在總 slot 數之 下，若超過就拒絕分配 pre-allocated slot。

圖 1：無論在何處重傳封包都需要二倍總 hop 數的時間

在 pre-allocated slot 的分配有可能超過總 slot 數或在 slot 不足的狀況下，如何 分配 slot 給 link 是個重要的議題。我們發現 802.16j HARQ 無論在何處重傳資料 封包，都需要二倍的總 hop 數傳送時間。如圖 1，packet2 在 RS1 就發生錯誤， 需要重傳，等到 MS 回傳 feedback 訊息給 MR-BS 後，packet2 再進行重傳。這樣 的回傳以及重傳就需要六個 frame 的時間，等於二倍於圖中三個 hop 數的時間。 我們在探討優先權問題時發現雖然重傳的延遲時間都相同，愈靠近 MR-BS 的 link 因為所傳遞的資料較末端的 link 多，pre-allocated slot 也需要比較多，因此我們 設定愈靠近 MR-BS 的 link 具有較高的優先權。

2.3 倒數控制(count down)

在動態調整 pre-allocated slot 時，我們在每條 link 的紀錄上多增加一個參數， Count Down (CD)。當封包發生非連續錯誤時，給予一個 pre-allocated slot。若下 次傳送封包是成功的(並未使用 pre-allocated slot，而需要刪除一個 pre-allocated slot)，並不立即扣除給予的 pre-allocated slot，而是將 CD 值減一，直到 CD 值為 零時，才刪除所分配給那條 link 上的 pre-allocated slot。但若持續發生錯誤，會 再給予一個 pre-allocated slot，並把 CD 設回原來的值。如此不但可以保留原來動 態調整的優點，也可防止在非連續錯誤下所造成的問題。

如圖 2 在第一次傳輸失敗後，給一個 pre-allocated slot，在重傳成功後(並未 使用 pre-allocate slot)，CD 值減一。在下次傳輸失敗時，就有一個 pre-allocated slot 可直接重傳封包，如此只需二個 frame 的時間便可成功傳送封包。

圖 2：非連續錯誤下因預留 pre-allocated slot 使得延遲時間下降

2.4 最大重傳次數(max number of retransmission times)

不同 QoS 等級的封包，由於延遲時間限制不同，其重傳次數也不相同。以 UGS、ertPS 和 rtPS 為例，即使封包成功送達目的地，卻可能因為容忍時間的限 制而變成無效封包。因此系統盡可能重傳重要性高或影響度大的 QoS 等級封包， 確保其能在有效時間內送達目的地。重傳封包時尚須考慮延遲時間限制 (maximum latency)，只有在時限前重新傳送至接收端才能算為有效重傳。因此我 們研究改善 ARQ 流程，讓封包重傳能有效改善 QoS，如圖 3 所示。 圖 3：改良式 ARQ 流程 圖 3 為改良式 ARQ 流程，MR-BS 先進入準備傳送階段，當 MR-BS 未收到 MS送回的 ACK 或 NACK，則設定封包進入重傳階段進行等待，並給予至少可 接受的等待時間及最大等待時間的限制。在嘗試重傳階段時，外加判別條件式“最 大重傳次數”，此為從產生封包流量時開始計算。QoS 中包含 UGS、ertPS、rtPS。 在標準中有規範最大可容忍時間，在容忍時間下允許該封包可做幾次重傳的限制， 目的即是為了避免封包在超過 maximum latency 的情況下仍然執行重傳動作。當 該封包被判定超過限制式所規定的時間，則丟棄該封包。反之，若是回應傳送成 功則完成該封包的傳送程序。我們根據各個不同等級的 QoS 和其所規範的最大 容忍時間限制，定義最大重傳次數限制。 封包傳送成功的時間需要n T⋅ _f，傳送失敗需要重傳的時間是2⋅RLQoS⋅ ⋅n Tf，因此

傳送成功加上傳送失敗需要重傳的時間必須小於最大容忍時間限制。最大重傳次 數的限制式如下。

2.5 最大 pre-allocated slot 分配個數

在進行封包資料傳送時，對無即時性的封包給予 pre-allocated slot 的意義並 不大。因為傳送這些無即時性封包的目的在於是否成功送達目的地，對於 delay time的要求並不高。因此我們將 pre-allocated slot 的機制加入即時性封包傳送， 如 UGS、ertPS、rtPS。經實驗發現，由於即時性封包有 maximum latency 參數的 限制，若在第一次傳送封包時發生錯誤後重傳並加入 pre-allocated slot 可在封包 又發生錯誤時及時重傳。但往往在第二或第三次重傳時雖有 pre-allocated slot 的 幫助，卻會因為超過 maximum latency 而成為無效封包。因此當有即時性封包在 傳送時，在第一次傳送封包時就應有 pre-allocated slot 的幫助。若沒有，極可能 會造成在重傳時，封包的失效率大增。至於需要給予幾個 pre-allocated slot 才足 夠，需要一個明確的參考值。Maximum slot number是傳送即時性封包(UGS、rtPS、 ertPS)時可給予的最大 pre-allocated slot 限制。我們根據 delay time 的計算和 maximum latency的限制定義出何為 maximum slot number。對於 nrtPS 及 BE 等 級的封包，因為沒有 maximum latency 因此也就沒有 maximum slot number。首先 我們定義參數及變數：

MSQoS：the Maximum Slot for each class of QoS QoS class={UGS、rtPS、ertPS}

MLQoS：the Maximum Latency for each class of QoS

RD：the Delay of Retransmission (use pre-allocated slot to transmit) D：the Delay time for packet transmission form BS to MS

n：the number of hops between MR-BS and SS j：the hop number

接著我們以 maximum latency 為限制，定義出 maximum slot number：

QoS QoS

DelayTime ≤ML

QoS first QoS

MS RD D ML => ⋅ + ≤ QoS first QoS ML D MS RD − => ≤ 封包傳送成功，至少需要二倍的總 hop 數時間： 2 _f D= n T⋅

在有 pre-allocated slot 的情況下，傳送失敗重傳只需要二個 frame 的時間： 2 f

RD= T

因此我們可以算出每種不同 QoS 的 maximum slot number：

2 2 2 QoS f QoS QoS f f ML nT ML MS n T T − ≤ = − UGS ertPS rtPS MS ≤MS ≤MS

2.6 使用 pre-allocated slot limit

在有 pre-allocated slot 的情況下，我們發現封包可能在有 pre-allocated slot 的 情形下，自行多次重傳，導致雖然在 retransmission times 的限制下仍會超過封包 的最大容忍時間限制。這是因為 IEEE 802.16j 是多 hop 數的環境，封包傳輸發生 失敗需要經過多個 hop 時間進行。當 MR-BS 判別封包失敗要進行重傳時，可能 早在 link 有 pre-allocated slot 的情形下，已自行重傳多次。導致雖然不超過 transmission times卻也成為無效封包。而在即時性封包上，我們另外增加更多的 pre-allocated slot，也就是 maximum slot。因為 maximum slot 是可以在 maximum latency內重傳 slot 數的最大限制。而 maximum slot 在 MR-BS scheduling 時會預 先分給各個 link 包含 maximum slot 個數的 slot，這樣很有可能雖然封包重傳還在 retransmission times limit的限制內，卻因為使用到過多的 pre-allocated slot 造成 delay time超過封包所能容忍的 maximum latency。因此我們需要另外設限，亦即

使用 pre-allocated slot 的數量需在 maximum slot 的限制下。若使用超過 maximum slot的 pre-allocated slot，表示這個傳送到目的地的封包是無效的。

因此我們除了 retransmission times limit 的限制外還需加上使用 pre-allocated slot的限制(pre-allocated slot limit)。才不會造成雖然在 retransmission times limit 的限制下，卻早已超過 maximum latency 的限制。我們將使用 pre-allocated slot limit的值設為 maximum slot 的大小，因為只要超過 maximum slot 就一定會超過 封包的最大容忍時間限制(maximum latency)。 三、模擬實驗與數據分析 模擬實驗是利用 NS2 (Network Simulator，version 2)模擬器並使用 C++程式 語言來模擬 IEEE 802.16j。除了 MR-BS 外，也加入 RS 及各個不同 QoS 等級服 務的封包及限制。模擬環境假設為一個 MR-BS、兩個 RS 及一個 MS 的環境。我 們計算 MS 接收到封包的平均延遲時間及吞吐量。每個 frame 的大小為 5ms，總 共傳送4000個封包，每個封包大小為10KBytes，取其平均delay time、throughput、 packet drop rate及 jitter。我們模擬傳送 real time 封包中較有代表性的 rtPS 封包， 比較[3]的方法與我們所提出的方法。Real time service 中最重要的指標就是 delay time及 jitter。在 rtPS 中我們會偏重 average delay time 和 average jitter 的效能指 標。我們分別以 relay link 的 PER 以及 access link 的 PER 作為基準，分別探討在 不同 access link 的 PER 下，QoS Aware Pre-allocated slot HARQ (QoS Aware P-HARQ)與[3]方法的效能比較。圖 4 至圖 11 為實驗結果。

圖 5：不同方法及參數值之 packet drop rate 的比較(with slot limit)

圖 6：不同方法及參數值之 average jitter 的比較(with slot limit)

圖 8：不同方法及參數值之 average delay time 的比較(without slot limit)

圖 9：不同方法及參數值之 packet drop rate 的比較(without slot limit)

圖 11：不同方法及參數值之 average throughput 的比較(without slot limit) 四、結論

即時性封包傳輸對延遲時間有一定的要求。我們針對不同 QoS 服務設定不同 的 maximum slot 個 數 、 增 加 重 傳 次 數 及 (retransmission times limit) 使 用 pre-allocated slot的限制。此外也針對在高封包錯誤率下使用 pre-allocated slot 機 制的不足，改善其缺失並提昇傳輸效率。在實驗模擬中，我們考慮 with slot limit 及 without slot limit 兩種環境，實驗結果顯示本篇論文所提出的 QoS Aware P-HARQ 方法在 average delay time、packet drop rate、average jitter 及 average throughput等效能指標上的表現皆優於 DP-HARQ 方法。

參考文獻

[1] “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.

[2] “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks; Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Multi-hop Relay Specification,” IEEE P802.16j/D6, Jul. 2008.

[3] Kai-Wen Cheng and Jyh-Cheng Chen, “Dynamic Pre-allocation HARQ(DP-HARQ) in IEEE 802.16j Mobile Multihop Relay (MMR),” IEEE International Conference on Communications 2009. (ICC 2009) pp.1-6, June. 2009.

[4] Soo-Yong Jeon, Ki-Uoung Han, Kyungjoo Suh and Dong-Ho Cho, “An Efficient ARQ mechanism in Multi-hop Relay Systems based on IEEE 802.16 OFDMA,”

IEEE Vehicular Technology Conference (VTC) Spring 2007. pp.1649-1653, 30 Sept.-3 Oct. 2007.

[5] Soo-Yong Jeon and Dong-Ho Cho, “Modeling and Analysis of ARQ Mechanisms for Wireless Mulit-hop Relay System,” IEEE Vehicular Technology Conference (VTC) Spring 2008. pp. 2436-2440, 2008.

1

國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期：101 年 10 月 28 日

一、參加會議經過

第一天 7 月 2 日為報到日，傍晚時分由 University of Avignon 副校長主持雞尾酒歡迎

儀式。

第二天 7 月 3 日一大早開始緊湊的議程，首先由業界資深的 Jim Morrish 給第一場的

keynote speech。演講題目為目前最熱門的「The impact of the machine-to-machine

revolution」。演講中提到在未來十年，全球 M2M 裝置的數量會有爆炸性的成長，嵌

入式連接將滲透到我們生活中的每一個角落，從智慧電錶到做為驅動連接心臟速率監

計畫編號

NSC 100－2221－E－004－005－

計畫名稱

IEEE 802.16j 網路具服務品質感知的 HARQ 與調適性路徑選擇機制

之研究

出國人員

姓名

張宏慶

服務機構

及職稱

國立政治大學資訊科學系副教授

會議時間

101 年 7 月 2 日至

_{101 年 7 月 4 日}

會議地點

法國亞維農大學

會議名稱

(中文) 行動及無線網路之特定主題的國際會議

(英文) International Conference On Selected Topics in Mobile &

Wireless Networking

發表論文

題目

(中文) 適用於都會區之多層弦技術於車載網路上之點對點(P2P)應用

的研究

2

視器到數字廣告牌等都會是可能的應用。Morrish 也提到未來將有可能有高達 24 億的

M2M 連接設備，其所帶來技術上的挑戰，對我們的生活的影響，可能的商機及 business

model。

當天接下來的議程包括以下的幾個重要分組場次

ST1: Wireless and Vehicle-to-Vehicle communication models

ST2: Cloud/p2p based mobile services

SWT1: Workshop on Mobile Ad-Hoc Wireless Networks S1

SWT2: Workshop on Mobile Ad-Hoc Wireless Networks S2

第三天 7 月 4 日的 keynote speech 由清大資工系黃能富教授主講，講題為

「Cloud-based video streaming service platform with scalable video」。結合雲端提

供 scalable video streaming 亦為目前雲端技術相關應用的重要研究議題。其內容介

紹黃教授他們利用 Scalable video coding (SVC), Multiple-view coding (MVC)及

Low-latency p2p (LLp2p)等技術所設計並實作出的雲端串流(cloud-based video

streaming)服務平台 。該平台是透過雲端服務供應商所提供的虛擬機動態建構而成，

該平台能提供視訊串流廣播(video streaming broadcast)及互動多媒體(interactive

multimedia)服務。

當天接下來的議程包括以下的幾個重要分組場次

SW1: IOT/M2M and sensor networks

SW2: Wireless Routing protocols

本人的演講被安排在「ST2: Cloud/p2p based mobile services」的場次，演講題目為

「適用於都會區之多層弦技術於車載網路上之點對點(P2P)應用的研究(Urban

3

Multi-Layered Chord for P2P over Vehicular Network

)

」。該題目為車載網路上熱門且

挑戰性較高的研究議題，報告中與與會者有相當好的反應及討論。

會議結束後法國亞維農大學資訊科學系 Abderrahim Benslimane 教授也熱情的邀我們

參觀他們的 Computer Networks and Multimedia Applications of the Computer

Laboratory of Avignon 實驗室。

4

二、與會心得

乃因該研討會為在 Mobile & Wireless Networking 領域中 selected topics 的研討會，

與會人數雖不若數以百計的大型研討會，但因研究主題較為集中，在分享研討時能

較為深入。此次除了能與來自臺灣清大的黃能富教授等學者交流，並能有機會與幾

位來自法國，奧地利，美國，中國，日本等許多國家的學者有更為深入的學術交流

及討論，是一個相當有收穫的研討會。

三、考察參觀活動(無是項活動者略)

1. 參觀法國亞維農大學校區

2. 參觀法國亞維農大學資訊科學系 Abderrahim Benslimane 教授的 Computer

Networks and Multimedia Applications team of the Computer Laboratory of

Avignon 實驗室

四、建議

五、攜回資料名稱及內容

大會手冊及論文光碟

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2012/10/30

國科會補助計畫

計畫名稱: IEEE 802.16j網路具服務品質感知的HARQ與調適性路徑選擇機制之研究 計畫主持人: 張宏慶 計畫編號: 100-2221-E-004-005- 學門領域: 計算機網路與網際網路

無研發成果推廣資料

100 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：張宏慶 計畫編號： 100-2221-E-004-005-計畫名稱：IEEE 802.16j 網路具服務品質感知的 HARQ 與調適性路徑選擇機制之研究 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 1 0 100% 研討會論文 1 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 7 7 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 1 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 2 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次

其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 無 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無

專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無

其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

2005 年 IEEE 國際組織首度在台灣舉行會員大會並確定了 802.16e 的標準。政府亦於 2005 年到 2009 年推動的「行動台灣計畫」(M-Taiwan 計畫)，內容包括「寬頻管道建置計畫」 及「行動台灣應用推動計畫」。其中，「行動台灣應用推動計畫」發展重心即為 WiMAX。經 濟部與 Intel 於 2005 年 10 月 17 日簽署一項合作協議，聯手在台灣佈建及推廣 WiMax 技 術暨應用，以加速實現 M-Taiwan「行動台灣應用推動計畫」。2008 年 11 月 24 日總統宣示 建構 WiMAX 讓台灣成為無線通訊產業領導者。台灣將從 2009 年第一季就有 WiMAX 業者開 始營運，一直到 2010 年國內六家 WiMAX 業者已全數開台。而 M-Taiwan 計畫也於 2009 年 完成階段性任務。種種跡象顯示台灣發展 WiMAX 新一代無線寬頻技術不但是政府的企圖 心，也是舉世關注的焦點。2011 年，國際標準組織 IEEE 802.16 將再度來台灣舉辦「2011 台北 WiMAX 高峰會議」，IEEE 802.16m 的標準極可能在該次會議中定案，台灣將成為 WiMAX 兩次重要規格定案所在地，這也與台灣做為全球 WiMAX 最重要產業鏈與研發基地相互輝 映。全球無線寬頻技術蓬勃發展，造就了許多新的商機，被視為新世代通訊技術標準的 ALL IP 網路崛起，挑戰傳統電信複雜網路架構，提供了新進電信業者更具競爭力的成本優勢。

WiMAX 正處於關鍵發展期，因 WiMAX 與 WiFi 的規模差距甚大，現行之 WiFi 架構只牽涉 AP (Access Point)與用戶端，可將其視為點對點之小規模連線；而 WiMAX 本身即是一套完整 的通訊系統，需將各種通訊系統之議題納入，如更換基地台(handoff)、流量管理(flow control)、服務品質管理(QoS)、路由繞徑(routing)及網路拓樸(topology)等。當 WiMAX

正式營運時，這些相關議題都必頇有配套的運作方案。因此，在 WiMAX 普及前，預先研究 未來使用人口遽增及負載情況之各種因應機制，才不致造成通訊品質不如消費者預期，市 場反應欠佳，徒增推廣之難度。本研究計畫的執行成果將有助於因應高負載環境的協調機 制，並實作於網路設備上，如 WiMAX 無線路由器、WiFi/WiMAX 橋接器及 WiMAX 基地台等， 為未來普及後增加之負載量作準備。

WiMAX 技術已發展多年，也相繼提出許多不同的標準，像是已成熟的 IEEE 802.16d、支援 移動性的 IEEE 802.16e，以及支援行動多重跳接中繼網路(Mobile Multi-hop Relay，MMR) 的 IEEE 802.16j。在 IEEE 802.16j 標準中提出了可以轉傳資料的 Relay Station (RS)， 以 延 伸 網 路 覆 蓋 範 圍 (coverage extension) 並 提 升 系 統 傳 輸 效 能 (throughput enhancement)。參與人員可藉本計畫清楚了解如何藉由設計「具服務品質感知的混和自動 重傳機制」及「具調適性的路徑選擇機制」有效提昇資料傳輸效能。在實驗進行中，參與 實驗數據分析與權重參數調整能使人員了解如何控制網路設備運作、都會型網路之維護與 規劃、網狀網路節點部署方式等專業知識，有助於培養爾後 WiMAX 之推廣及實際佈建所需 之技術人才。