行政院國家科學委員會補助專題研究計畫執行進度報告
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計畫類別：
£個別型計畫 R整合型計畫
計畫編號： NSC 90-2213-E-009-087
執行期間： 90 年 8 月 1 日 至 92 年 7 月 31 日
計畫主持人：楊啟瑞 教授 ([email protected])
共同主持人：
計畫參與人員：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學 資訊工程系所
中
華
民
國
91 年 5 月 19 日
寬頻網際網路上區域無線網路之頻寬存取控制技術
Multiple Access Contr ol Technology for Local Wir eless
Networ ks in Br oadband Inter net
行政院國家科學委員會專題研究計畫執行進度報告
計畫編號：NSC 90-2213-E-009-087
執行期限：90 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：楊啟瑞 國立交通大學 資訊工程系所
一、中文摘要 對區域無線網路而言，現今大部分的頻 寬存取技術在本質上皆不甚穩定，當訊務來 源流量增加時，網路整體效能反而呈現指數 性地遞減。在本報告中，我們提出了一個具 有持續穩定且有高效能的 Hexanary-Feedback Contention Access(HFCA) 競入技術， 能夠使 得競入訊號能以極高效率進入系統，並能同 時保持區域網路的最大效能。 HFCA 是以漸 增式的 contention resolution 的方式運作，亦 即經由 two-phase 的程序，使得第二階段的運 作同時只管理一小群的使用者。在第一個 phase 中，一個群體內的使用者會以一個變動 的機率隨機允入，這個機率使得群體中同時 進行競入的使用者個數大於五的機率很小。 在第二個 phase，由第一個 phase 決定的小群 體內的使用者將會被有效率地處理。藉由在 實 體 層 實 作 Pdf-based Multi-user Estimator (PMER)，使得上述 hexanary feedback 控制機 制能夠提供 two-phase 程序正確的回應，以利 其進行 contention resolution。值得注意的是利 用 比 對 接 收 訊 號 的 envelope/phase pdf’s histograms 和預先建立的 pdf 函式庫，PMER 可以測量在一個 contention slot 內的精確使 用者個數 (從零到五)。這六個的使用者個數 的預測結果，組成了 hexanary feedback，提供 在 two-phase 程序在即時運算時廣播予使用 者。最後，由分析與模擬的結果指出，配合 PMER 的執行，HFCA 在 maximum stable throughput 、 saturated throughput 、 access delay、與 blocking probability 方面都可獲得很 高的效能。 關鍵詞：無線 ATM 網路 (WATM), 媒體存 取控制 (MAC), 品質保證服務 (QoS), 訊務 排 程 技 術 , 頻 寬 分 配 , 自 我 相 似 性 訊 務 , Neural-fuzzy 訊務預測 二、英文摘要Most existing contention access schemes for local wireless networks are inherently unstable yielding exponentially deteriorating throughput under increased traffic loads. In this report, we propose a persistently stable,
efficient Hexanary-Feedback Contention Access
(HFCA) scheme, capable of providing signaling
traffic high performance while retaining maximal throughput for local wireless networks.
HFCA performs incremental contention
resolution, managing a small subset of users at a time via a two-phase process. In the first phase, a group of users is probabilistically admitted, with a negligible probability of the group size greater than five. In the second phase, all users in the group are efficiently resolved. The two-phase process is augmented with hexanary feedback control facilitated by a Pdf-based Multi-user Estimator (PMER) implemented at the physical layer. Significantly, the PMER measures the exact number of transmitting users (zero to five) in a contention slot by matching the envelope/phase pdf’s histograms of received signals to a library of pre-constructed pdf’s. These six outcomes comprise the hexanary feedback being broadcast to users during the real-time operation of the two-phase process. Analytic and simulation results delineate that, performing in conjunction with the PMER, HFCA achieves high performance with respect to maximum stable throughput, saturated
throughput, access delay, and blocking
probability.
Keywords: Wireless access networks, contention access, feedback control, maximum
stable throughput, saturated throughput,
envelope/phase probability density function (pdf).
三、計畫緣由及目的 無線 ATM 網路己被視為下一代無線區 域網路中最有潛力的一個可行方法，因為它 具備了整合性多媒體高速服務，並能滿足各 種 QoS 的需求，如 CBR、VBR、ABR 和預留 頻寬式的 signaling 訊務等。對 CBR/VBR、 ABR 和 signaling 訊務來說，它所要求的 QoS 分別為有限的傳送延遲、保證擁有最小的傳 輸速率與最小的 non-blocking 機率。經過研究 證明，前三種型態的訊務可以透過 reservation access 來有 效管理 [1, 2] 。 而 另 一 方 面 ， signaling 訊務則最適合採用 contention access [1, 3, 4]。眾所皆知，contention access 在訊務 來 源 增 加 時 ， 會 不 可 避 免 的 發 生 碰 撞 (collisions)，導致效能減少與無法滿足 QoS 的 問題。針對這項關鍵性的挑戰，本計劃的目 標即是設計一種能同時滿足存取的效率與 QoS 的保證 [3] 的 contention access。
在現今普及的 TDMA FDD-based [5, 6] contention access 技 術 中 ， splitting-based collision-resolution algorithms [7, 8, 9] 已考慮 到上述問題。這些設計的基本觀念是藉由隨 機 [8] 或由時間 [9] 將競爭的使用者分為傳 送中或非傳送中的兩個集合來加速 resolution 的程序。這些分類可以由使用者所獲得的 feedback 得知 。一 般 而言 ，有 三種 型 態的 feedback – binary feedback、ternary feedback [8,9]、和 multiplicity feedback [7]。在 binary feedback 中，使用者會被通知在 contention slot 是否發生 collision，因此而命名。在 ternary feedback 中，使用者會告知三種結果- idle、 success、或 collision。最後一種 multiplicity feedback 允許使用者擁有完整的資訊了解與
collision 有 關 聯 的 使 用 者 個 數 。 和
binary/ternary feedback 比較起來，multiplicity feedback 能大大地改善 access efficiency，卻需 要較大的實作複雜度。本計劃的目標，是設 計 一 個 有 效 率 ， 且 可 行 的 hexanary feedback-based contention access 技術，其中 hexanary feedback 可以靠硬體幫助簡化之。 四、研究方法與成果 無線網路的架構是由基本的 cell 伴隨著 一個基地台 (Base Station, BS)，利用分享式 的無線電介質，來服務一群有限個數的移動 式終端機 (Mobile Terminals, MT’s)。以 FDD 為基礎將頻寬分為上傳與下傳兩個頻道。上 傳頻道根據一個 TDMA-based Medium Access Control (MAC) 和我們新提出的 HFCA 技 術，傳送從 MT’s 到 BS 的資訊。亦即上傳頻 道 的 時 間 被 分 割 成 連 續 且 大 小 不 固 定 的 TDMA frames，每個 frames 被進一步切成固 定大小的 slots。所有從 MT’s 傳送的資訊，假 設是互相獨立。下傳頻道基本上是廣播資訊 和回應先前透過上傳頻道傳送的訊息。這部 分的運作不在本報告的討論範圍。值得注意 的在區域環境中，由於 FDD 和和一個小的 propagation 延遲，在上傳頻道連續 slot 開始 之前，透過下傳頻道 BS 可以發給 MT’s 立即 的 feedback 與回應。 BS 的系統架構如 Figure 1 所示。系統在 實 體 層 包 含 三 個 模 組 - encoder/decoder, modulator/demodulator, 和 RF transceiver，在 MAC 層則包含了兩種 access 技術 - HFCA 和 reservation access。在 MAC 層的協定中，使 用 reservation access 為 CBR/VBR/ABR 的訊 務動態配置保留的頻寬，使用 HFCA 則是為 了 signaling 訊 務 動 態 配 置 保 留 的 頻 寬 。 Reservation access 的運作不在本報告的討論 範圍內。一個希望建立 CBR，VBR 或 ABR 連線的 MT 必須在一個 slot 的 contention 頻寬 內發出一個 signaling 的要求，這即是下一節 會詳細敘述的 HFCA 技術。每次 access 皆是 一次一個 slot 為主，直到最小的 non-blocking 機率達到為止。基本上，HFCA 執行漸增式 的 contention resolution, 亦即經由 two-phase 的程序，同時管理一小群的使用者。藉由在 實 體 層 實 作 Pdf-based Multi-user Estimator (PMER)，使得上述 hexanary feedback 控制機 制能夠提供 two-phase 程序正確的回應，以利 其進行 contention resolution。值得注意的是利 用 比 對 接 收 訊 號 的 envelope/phase pdf’s histograms 和預先建立的 pdf 函式庫，PMER 可以測量在一個 contention slot 內的精確使 用者個數 (從零到五)。這六個的使用者個數 的預測結果，組成 hexanary feedback，提供在 two-phase 程序在即時運算時廣播予使用者。 4.1 HFCA 設計觀念與運作方式 在一個 frame 內的 HFCA 運算，包含重 複執行的 phases-admission 和 resolution 的兩 個 phases。當一群 MT’s 被隨機選入 admission
處理完畢。這種 two-phase 的程序會被重複直 到最小 non-blocking 機率被滿足為止。詳細的 HFCA two-phase 演算法詳見 Figure 2。
在第一個 phase 之前，希望競爭頻寬的 MT’s 的平均個數，稱之為 initial group size (以
N表示之)，會透過簡單的流量預測通知 BS。
預測的 initial group size, Nˆ, 將廣播給所有
的 MT’s。在 admission phase，每一個有資料 要傳送的 MT 獨立地存取下一個的 slot。這個 存 取 動 作 是 以 Controlled Slotted-Aloha (CA-Aloha)協定為主，而 admission 的機率, ˆ ( ) A P N = κopt/Nˆ, 其中κopt 是以在能獲得最大 saturated 產能時的最佳值。在下一節中，我們 將會推導出κopt ≈1.58，和Nˆ(>50)、Nmax無關。 接著 PMER 將預估發生碰撞的 MT’s 個數 (Lˆ)。如果碰撞發生 (2≤ ≤Lˆ 5), 運算會進入 第二個 phase。所有的 MT’s 會被告知Lˆ的值，
並設定此值給 reduced group size (G)。如果
ˆ 1 L≤ ，現在的 two-phase cycle 便結束。此外， HFCA 已被證明會發生超過五個同時傳送者 的機率非常小。 在 resolution phase，每一個被允入但未 成功處理的 MT 會指定它下一個 slot 傳送的 機率，和現在群體內的 MT’s 個數成反比。群 體內的個數從 reduced group size (G) 開始， 在一個 slot 內最多被遞減一個。亦即每個 MT 存取下一個競爭的 slot 以 CS-Aloha 協定為
主， 協定的 resolution 機率, P MR( )=1/M, 其
中 M 是現在群體的大小。如以上所述，M 在 resolution phase 一開始時與 reduced group size
(G) 相同，注意的是 M 的值在每一台 MT 內
是獨立地在 resolution phase 內運作。在 slot
結束的時候，依據送回的 feedback(Lˆ)，每一 台 MT 有不同的動作。如果Lˆ 1= (success), 現 在 的 群 體 內 個 數 被 遞 減 一 。 如 果 Lˆ 0= (idle) ， 或 Lˆ 2≥ (collision) 但 是Lˆ≠M−1， resolution 遞迴式地重複，但M 值沒有改變。 如果Lˆ 2≥ (collision) 但是Lˆ=M−1， HFCA 將給那個在這個 slot 沒有傳送的 MT 使用下 一個 slot 的權利。所有其他在 transmission 群 內的 MT’s 會發生一個 slot 的延遲，而 M 也 會減一。第二個 phase 的運作重複執行直到所 有在 admitted 群內的使用者皆被完全處理完 畢為止，亦即M =0。由於本報告頁數的限 制，效能的分析在此份報告內省略。
Figure 3 表示 HFCA、Paris、和 S-Aloha 等 技 術 在 三 種 不 同 的 訊 務 下 (α=3,7, and 30)，對 access delay，non-blocking probability 的比較。在實驗中， MT 的 access delay 是從要求所有的 slot 開始到 MT 成功地 傳送它的 signaling 要求為止。Figure 3(a)中亦
表 示 了 complement delay Cumulative
Distribution Function (CDF) 。 為 了 監 控 non-blocking probability，如果 slot access 的個 數超過預先設定的 access retry count，一台 MT 的要求訊號會被 blocked 住。在 Figure 3(b) 中，我們證明 non-blocking probability 是 retry count(範圍從 1 到 20)的一個函數，我們清楚 地觀察到，因為 unstable 的關係，S-Aloha 的 delay 和 non-blocking probability 在中與高 load 時大量地增加。此外，HFCA 在中與高 load 時，其 performance metrics 皆表現得比 Paris 為佳。
4.2 Pdf-based Multi-User Estimator (PMER) 觀念與運作
基本的 PMER 設計觀念如下。當一些同 步 的 使 用 者 在 一 個 合 理 的 SNR 下 發 出 multi-user 的訊號時，他們的 envelope/phase probability density functions (pdf’s) 會區別出 在訊號內是否應少於六個 user。因此，我們 可以預先建構一個在不同 SNRs 和不同個數 之同步使用者狀況下的先期 pdf 函式庫， 在這一節中，我們推導在 AWGN channel 例 子 下 ， 接 收 訊 號 的 normalized envelope pdf。在這些結果的基礎下，先期 pdf 的函式 庫可據此建立。從多位使用者在 slot access 結束時的 on-line 運算，一個被 BS 在 AWG
channel 接收的 phase-modulated signal(R t( ))可
以被表示為 0 0 [2 ( )] 2 1 ( ) Si ( ) , L j f t t j f t i i R t S e π +φ n t e π = =
∑
+ (1) 其中, Si是第 i 個 MT 在接收端的 power 平方 根， f0是 carrier frequency， ( ) i S t φ 是從第 i 個 MT 來的 modulated waveform，n t( )代表平均 值為零，變異數為2 2 n σ 的 Gaussian noise。為 了表示方便，我們假設每一個 MT 都有其power control，使得Si=S。讓 y(t)表示 envelope
2 2 ( / 2) 0 0 0 ( ) ( ) L( ) nt , 0, y p y =
∫
∞ytJ yt J St e−σ dt y> (2)其中，J0( )⋅ 是 Bessel function of the first kind
of order zero。為了 normalize 接收訊號的 power，根據 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) ,
mean received power 2 n
y t y t x t L S σ = = ⋅ + (3) normalized envelope x t( )的 pdf 可以推導為 2/ 4 0 0 0 ( ) ( 1) t ( 1) L( ) , x p x = L⋅ Λ + x
∫
∞te− J xt L⋅ Λ + J t Λ dt (4) 其中， 2 2 2 n S SNR σ Λ = = 。我們從方程式(4)中清 楚地發現，p xx( )是 L 和 SNR 的函數。因此 先期 pdf 函式庫可根據方程式(4)被 offline 建 立。在不同個數的同步使用者(L= 1 to 5) under SNR=10 dB, and 20 dB 的部分函式庫結果已 顯示在 Figure 4。很清楚地發現，SNR 越強， pdf 的區別性越大。 4.3 研究成果 本 計 劃 的 成 果 已 投 稿 並 刊 登 於 IEEE ICC 2002 國際研討會上。此外，另一篇擴充 版本的論 文已投 稿 於 IEEE Transaction on Wireless Communications，現正在 revised 中。五、下一年度研究方法與預期成果
在下一年度的工作中，我們將著重於三 項工作。首先，我們更進一步將研究重點放 在 HFCA stability 和 capacity 的正式推導與分 析上。第二，對 PMER 而言，我們將考慮在 AWG channel 下 multipath fading 的 phase pdf。在這兩項工作完成後，最後的工作我們 會 結 合由 HFCA/PMER 提供的 reservation access 和 contention access，並總結出一個整 合式 QoS-guaranteed 的區域無線網路解決方 案來支援多媒體通訊。
六、參考文獻
[1] S. Jangi, and L. Merakos, “Performance Analysis of Reservation Random Access Protocols for Wireless Access Network,” IEEE Trans. Comm., vol. 42, no. 2/3/4, Feb./March/April 1994, pp. 1223-1234. [2] D. Goodman, R. Valenzuela, K. Gayliard, and B.
Ramamurthi, “Packet Reservation Multiple Access for Local Wireless Communications,” IEEE Trans. Comm., vol. 37, no. 8, Aug. 1989, pp. 885-890. [3] M. Yuang, and P. Tien, “Multiple Access Control
with Intelligent Bandwidth Allocation for Wireless ATM Networks,” IEEE JSAC, vol. 18, no. 9, Sept.
2000, pp. 1658-1669.
[4] L. Lenzini, M. Luise, and R. Reggiannini, “CRDA: A Collision Resolution and Dynamic Allocation MAC Protocol to Integrate Date and Voice in Wireless Networks,” IEEE JSAC, vol. 19, no. 6, June. 2001, pp. 1153-1163.
[5] I. Akyildiz, et al., “Medium Access Control Protocols for Multimedia Traffic in Wireless Networks,” IEEE Network, July/Aug., 1999, pp. 39-47.
[6] N. Passas, S. Paskalis, D. Vali, and L. Merakos, “Quality-of-Service-Oriented Medium Access Control for Wireless ATM Networks,” IEEE Comm. Mag., vol. 35, no. 11, Nov. 1997, pp. 42-50. [7] L. Georgiadis, and P. Papantoni-Kazakos, “A
Collision Resolution Protocol for Random Access Channels with Energy Detectors,” IEEE Trans. Comm., vol. 30, no. 11, Nov. 1982, pp. 2413-2420. [8] B. Paris, and B. Aazhang, “Near-Optimum Control
of Multiple-Access Collision Channels,” IEEE Trans. Comm., vol. 40, no. 8, Aug. 1992, pp. 1298-1309.
[9] J. Mosley, and P. Humblet, “A Class of Efficient Contention Resolution Algorithms for Multiple Access CHannels,” IEEE Trans. Comm., vol. 33, no. 2, Feb. 1985, pp. 145-151.
[10] R. Rom, and M. Sidi, Multiple Access Protocols-Performance and Analysis, Springer-Verlag, 1990.
[11] Y. Su, and J. Chen, “Carrier-to-Interference Ratio Measurement using Moments or Histograms,” IEEE Trans. on Comm., vol. 48, no. 8, Aug. 2000, pp. 1338-1346.
Figure 2. Two-phase process of HFCA.
Phase 1 - Admission Phase 2 - Resolution ˆ N= −N Gˆ Group Resolved (M=0)? No Yes ˆ 1 L> CS-Aloha Access (P )A Feedback ( ˆL)? set ˆ G L= Feedback ( ˆL)? Dedicated Slot Access ˆ 2 L≥ & ˆ 1 L M= − ˆ 1 L= ˆ 0 L= ˆ 2 & L≥ 1 M M= − ˆ 1 L≤ set ˆ M G L= = ˆ N ˆ 1 L M≠ − CS-Aloha Access (P )R
Figure 1. System architecture of the base station.
MAC HFCA Encoder/Decoder Modulator/Demodulator RF Transceiver Uplink PHY PMER
Downlink Uplink Downlink
Legend:
Signaling Data
Reservation Access
Figure 3. Performance comparison under three different loads. (a) Delay comparison.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Heavy Load (α=30) Light Load (α=3) Medium Load (α=7) HFCA Paris S-Aloha 1.0 - D elay CDF Delay 5 10 15 20 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Heavy Load (α=30) Light Load (α=3) Medium Load (α=7) HFCA Paris S-Aloha Non-Blocking Probabil ity
Access Retry Count
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 L=1 L=2 L=3 L=4 L=5 P rob a b ilit y d e n s it y fu n c tion (p d f) Normalized Envelope
(a) Normalized envelop pdf under SNR=10 dB.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 L=1 L=2 L=3 L=4 L=5 P ro b a b ili ty d e n si ty fu n cti o n (p d f) Normalized Envelope
Figure 4. Envelope/phase pdf’s under different L’s.
0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 -π -π/2 0 π/2 π x10-3 L=1 L=2 L=3 L=4 L=5 P ro b ab ili ty d e n s it y fu n c tion ( p d f) Phase 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 -π -π/2 0 π/2 π x10-3 L=1 L=2 L=3 L=4 L=5 P ro ba b ili ty de n si ty f u n ct ion (pd f) Phase
(b) Normalized envelop pdf under SNR=20 dB.
