行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
無線 ATM 網路之 MC-CDMA 交通管理之研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC91-2213-E-011-077-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系
計畫主持人： 黎碧煌
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 10 月 27 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
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※ 無線 ATM 網路之 MC-CDMA 交通管理之研究 ※
※ Study on MC-CDMA Traffic Management for Wireless ※
※ ATM Network ※
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計畫類別：個別型計畫
計畫編號：NSC-91-2213-E-011-077
執行期間： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 執行單位：台灣科技大學電機系
計畫主持人：黎碧煌
報告類型：精簡報告
處理方式：本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 7 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 無線 ATM 網路之 MC-CDMA 交通管理之研究
Study on MC-CDMA Traffic Management for Wireless ATM Network
計畫編號：NSC-91-2213-E011-077
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 主持人：黎碧煌 台灣科技大學電機系
計畫參與人員：黃史舜 吳泰鈞 張耀文 台灣科技大學電機系
一、中文摘耍
在無線通訊中，因有限的頻寬、相關應用 及使用人數遞增的情況下，針對如聲音、視訊 及資料等不同的服務類別與不同的服務品質 (quality of service; QoS)要求下，有效的頻寬管 理與交通排程，將使人們對多媒體無線通訊的 需求得到滿足。
無線通訊的管理與一般網路一樣都必須講 求—高系統使用率(utilization)、高傳輸準確率 (correctness)、及高服務品質。多碼-分碼多工 (multi-code code division multiple access;
MC-CDMA)可在同一段時間內使用多個展頻 碼(PN-code)傳送資料，使得網路頻寬可以有效 提高並且能同時支援不同交通流量(traffic)。
本計畫針對無線非同步傳輸模式網路之 MC-CDMA 交通管理以提升對不同的使用者 異質型服務，提出動態資源分配機制(dynamic resource allocation mechanism；DRAM)，設計 一有效資源分配管理演算法及補償方式，可降 低移交連線斷訊率(handoff call dropping ratio) 及新連線阻塞率(new call blocking ratio)，以提 升網路的整體服務效能。
關鍵字：無線通訊、多碼-分碼多工、服務品質、
移交、頻寬管理與排程
Abstract
In wireless communications, although the limited bandwidth, its related applications and the number of users have been growing, the efficient bandwidth management and traffic scheduling make people satisfy the requirement of the multimedia wireless communications for the different service types (e.g., voice, video, and data etc.) and the different quality of service (QoS) request.
In order to obtain high utilization, high correctness, and high QoS, network management for the wireless communication must be considered. Multi-code division multiple access
(MC-CDMA) scheme can use several PN-codes to transmit in the same period to make higher bandwidth and support different traffic streams.
This project uses MC-CDMA to manage traffic and provide different services for the wireless ATM network. We propose a dynamic resource allocation mechanism, which designs an effective resource allocation management algorithm and compensates method, to reduce the dropped ratio of handoff calls and blocked ratio of new calls.
Keywords: wireless communications,
MC-CDMA, QoS, handoff, bandwidth management, traffic scheduling
二、緣由與目的
無線非同步傳輸模式網路(WATM)，被期 待 可 支 援 不 同 速 率 及 服 務 品 質 之 多 種 類 服 務 ， 其 中 多 工 存 取 技 術 (multiple access technique)的設計是一大挑戰[1]-[6]。第三代行 動通訊以 CDMA 為主要無線傳輸技術；CDMA 利 用 展 頻 (direct sequence spread spectrum;
DSSS)的機制，在傳送資料前，每一個被傳送 的 位 元 均 須 透 過 展 頻 的 機 制 加 入 彼 此 正 交 (orthogonal)的虛擬雜訊碼(pseudo random noise code；PN-code)，而轉換成一個由許多晶片碼 (chip)所組成的訊息，再經過調變後才傳送出 去。展頻時，一個傳送位元被轉換成幾個晶片 碼通常由展頻係數(spreading factor)所決定。然 而單靠 CDMA 並無法提供不同傳輸率的需 求 ， 若 選 用 多 碼 - 分 碼 多 工 (multi-code code division multiple access; MC-CDMA)不僅可使 網路頻寬有效提高並且能同時支援不同交通 流量(traffic) [2][5]。
利用 MC-CDMA 技術可以滿足各種不同 傳輸速率的需求，所有訊號皆以基本速率 傳 輸，若一行動台的最大傳輸速率為基本速率的 m 倍，則稱此行動台為 m-rate 行動台 [7]-[9]。
當一個 m-rate 行動台要以 k 倍(1≦ k ≦m)基 本 速 率 傳 送 資 料 時 ， 行 動 台 將 資 料 流 (data
Rb
1
stream)經由序列對平行(serial-to-parallel)轉換 成 k 個基本速率，對每個基本速率資料流分別 使用不同的 PN-Code 做展頻(spreading)，然後 將他們重疊再傳送出去。如果不同類型流量混 合傳送時，其可以同時傳送的最大細胞數依據 平均錯誤位元率(average bit error rate; Pe)要求 較嚴格之流量型態可傳送最大細胞數為基準。
採用 MC-CDMA 存取方式，由於不同的位 元錯誤率(bit error rate; BER)要求的封包排 程 機 制 亦 將 影 響 系 統 輸 出 率 以 及 資 源 利 用 率。本計畫提出一個改良的封包排程機制演算 法與 Wisper 排程演算法[10]做一個比較。另外 在移交程序中資源分配的問題，提出動態資源 分配機制演算法，以解決行動台於移交程序中 所可能遭遇到因資源不足而強迫中斷服務的 現象，以減少產生斷訊的現象，期使系統傳輸 速率可以達到最佳化，並有效降低移交斷訊率 以及新連線阻塞率。
三、系統模型架構
WATM 網路係以 ATM 為骨幹網路，配合 蜂巢式管理架構(如圖一) [8]。由於基地台對於 傳送各種不同位元錯誤率要求的封包資料會 有不同等級的傳送功率，且不同位元錯誤率要 求 的 封 包 會 影 響 每 個 時 槽 排 程 時 的 大 小 容 量。因此，若是同一時槽可以傳送相同位元錯 誤率要求的封包，便可以使排程時槽的容量達 到最佳的利用率。基於這個想法，本計畫提出 改良的排程演算法機制。
Wisper 排程演算法[7]，是利用找尋空時槽 或是具有相同位元錯誤率要求型態的時槽，找 到便將封包置入該時槽。可提高利用率及排程 效能但還是有些排程缺點未使其效能可以最 大。因此改良的排程安置流程，如圖二所示。
當基地台在接收到行動台的連線請求時，
會 先 透 過 連 線 允 入 控 制 (call admission control；CAC)機制來判斷系統資源是否足夠允 許該行動台進入系統並優先提供該行動台資 源需求。若是系統無任何可用資源可分配給該 行動台時，便會判斷該行動台的連線需求是屬 於移交程序的連線或是欲建立新連線；若是新 連線則一律拒絕；若是移交程序中的連線需 求，則啟動動態資源調整機制(dynamic resource allocation mechanism algorithm; DRAM)演算法 進行資源調整，以期減少移交失敗的情形發 生。
當 DRAM 演算法啟動時，系統會優先判斷 該移交程序是屬於何種流量的連線；針對各種
不同流量類型的移交連線需求，進行不同流程 的 DRAM 演算法。圖三為 DRAM 演算法之流 程圖，其中部分參數定義如下：
1. Avg：該連線流量類型平均傳輸速率。
2. Min：該連線流量類型最小傳輸速率。
3. RA(resource available)：判斷系統可用資源 是否已經滿足接受移交連線需求。
4. HOCBR、HOVBR、HOVBR、HOANY：移交連線 流量類型。其中 ANY 表示任一種流量類型。
5. OGCBR、OGVBR、OGVBR、OGANY：連線中的 流量類型。其中 ANY 表示任一種流量類型。
6. Deg(參數一，參數二)：連線的資源頻寬降 級調整動作，將該連線的資源調整至平均傳 輸速率或最小傳輸速率。參數一為連線流 量。參數二為欲調整之流量等級。
由於 DRAM 演算法會使得連線中的資源 受到移交連線的剝奪而有所損失，當系統整體 剩餘可用資源到達一定門檻值(threshold)時，便 需 要 將 該 剩 餘 資 源 優 先 分 配 給 之 前 因 進 行 DRAM 演 算 法 而 資 源 遭 到 剝 奪 的 ongoing call。設置該門檻值的目的是為了避免系統一有 剩餘資源就立即進行補償，如果下一訊框排程 卻又必須要進行資源調整機制時，可能會造成 不斷重複執行資源調整及補償機制的交互動 作，造成負載過重。為了避免系統增加不必要 的負擔，該門檻值也可視為另一種提供移交連 線及新連線需求頻寬的保留機制。
四、系統模擬與分析
本 計 畫 針 對 先 到 先 服 務 (fist come first serve；FCFS)演算法、頻寬預留(guard channel) 演算法及 DRAM 演算法做比較。相關的假設 分 述 如 下: 語 音 傳 輸 使 用 two-state-Markov model，分為交談(talking)與閒置(silence)兩種狀 態，其連線時間、交談與閒置的時間皆是以指 數分布。平均連線時間為 3 分鐘，平均傳輸速 率為 64kbps[7][11]，其要求的位元錯誤率約 10-3。視訊流量之連線時間採指數分佈，平均 連 線 時 間 為 10 分 鐘 ， 平 均 傳 輸 速 率 為 512kbps ， 其 要 求 的 位 元 錯 誤 率 約 10-6 [11][12]。資料流量之平均傳送資料量採指數分 佈，平均傳輸速率 3Mbytes 其要求的位元錯誤 率約 10-9 [11][12]。
由圖四可比較出 FCFS 演算法在處理移交 程序需求的表現上，因資源分配優先權的條件 相同下而造成 handoff call 較無法順利進入系 統中。GC 機制在此方面也因為保留了一定程 度的資源供移交連線所使用，因此 GC 表現比
FCFS 佳。此外 GC-Wisper 保留了 GC 的優點 再搭配 Wisper 排程機制，可以看出對於移交連 線的接受程度確實表現比 FCFS 佳。DRAM 演 算法可以大幅減少移交斷訊率。
從圖五中新連線阻塞率該評比指標表現 上，明顯的看出 GC 機制確實會因資源保留而 造成新連線被阻塞率的上升，且保留 20%資源 的 連 線 被 阻 塞 率 確 實 比 保 留 10%資 源 高 ， FCFS 因公平對待新連線所以表現較佳；至於 GC-Wisper 演算法中，因較佳的排程效率優於 FCFS 機制及 GC 機制； DRAM 演算法因排程 機制的改良以及資源公平的分配給所有的連 線需求，在此項效能評比上超過 FCFS、GC、
GC-Wisper 演算法的表現。
從圖六中，可以明顯看出在整體接受所有 需 求連線的表 現上， DRAM 的 表現 相較於 FCFS、GC 與 GC-Wisper 演算法來的好；也就 是說，透過改良的封包排程機制可以增進系統 容量，以接受更多的連線需求，包含移交連線 需求以及新連線需求，輔以動態資源調整機 制，更可以接受更多的移交連線需求；因此就 系統整體連線拒絕率來看，DRAM 演算法的表 現是最佳的。
綜合圖七和圖八可以看出四種演算法的輸 出率以及排程效率。Wisper 排程機制可以有效 增進時槽排程效率，大幅改善 FCFS 與 GC 的 缺點。DRAM 的排程演算法，從排程效率以及 輸出率來看，更是優於 Wipser 排程。此外，藉 由圖六的佐證，DRAM 的確可以接受更多的連 線請求，因此在系統輸出率以及排程效率兩方 面的表現都是最優異的。
五、結論
本文提出動態資源調整機制(DRAM)，希 望於移交斷訊率與新要求連線被阻塞率之間 取一平衡點；綜觀以上分析解釋以及各項效能 指標的表現中， DRAM 機制不僅可以改善 FCFS 在移交斷訊率上的缺失，更可改進頻寬 資源保留機制在新要求連線被阻塞率表現上 的缺點，且增加對於新連線的公平性。
另外，在排程效率及系統輸出率等效能 上，適合未來 WATM 通訊的領域上，即使在可 用頻寬相當的有限，只需透過 DRAM 演算法 可以大幅改進系統輸出率以及增進系統使用 者容量，可提供越來越多的使用者隨時隨地、
不受時空拘束地存取網際網路上的資源。
參考資料
[1] M. J. Mctiffin et al., “Mobile access to an
ATM network using a CDMA air interface,”
IEEE J. Selected Areas Comm., Vol.12, No. 5, pp. 900-908, June 1994.
[2] S. Lu, V. Bharghavan, and R. Strikant, “Fair Scheduling in Wireless Packet Networks,”
IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.
7, No. 4, pp. 473-489, August 1999.
[3] S. Lee, Y. J. Song, D. H. Cho, Y. B. Dhong, and J. W. Yang, ”Wireless ATM MAC Layer Protocol Using WDWEDF and Two-Phase Scheduling Algorithm,” IEICE Trans.
Commun., Vol. E81-B, No. 12, pp. 2432-2443, Dec. 1998.
[4] I. F. Akyildiz, D. A. Levine, and I. Joe, ”A Slotted CDMA Protocol with BER Scheduling for Wireless Multimedia Networks,” IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. 7, No. 2, pp. 146-158, Apr.
1999.
[5] Z. Liu, M. J. Karol, M. E. Zarki, and K. Y.
Eng, “Channel Access and Interference Issues in Multi-Code DS-CDMA Wireless Packet (ATM) Networks,” Wireless Networks, Vol. 2, pp. 173-193, 1996.
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Selected Areas Comm., Vol. 14, pp.
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[7] Theodore S. Rappaport, Wireless Communications: Principles And Practice, Prentice Hall PTR, p.p.621-650, 2002.
[8] Morrow, R.K., Jr.; Lehnert, J.S., “Bit-to-bit error dependence in slotted DS/SSMA packet systems with random signature sequences,”
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10 , pp. 1052 –1061, Oct. 1989.
[9] Pursley, M. and Sarwate, D., “Performance Evaluation for Phase-Coded Spread-Spectrum Multiple-Access Communication--Part II:
Code Sequence Analysis,” IEEE Transactions on Comm., Vol. 25 No. 8, pp. 800 –803, Aug.
1977.
[10] Ian F. Akyildiz, David A. Levine, and Inwhee Joe, “A Slotted CDMA Protocol with BER Scheduling for Wireless Multimedia Networks,” IEEE/ACM Transactions On Networking, Vol. 7, No. 2, pp.146-158, April,1999.
[11] Matthew Cheng, Subhashini Rajagopalan, Li Fung Chang, Gregory P. Pollini and Melbourne Barton, “PCS Mobility Support over Fixed ATM Networks,” IEEE Comm.
3
Magazine, Vol.35, No.11, pp.82–92, Nov.
1997.
[12] Szu-Lin Su, Jen-Yeu Chen and Jane-Hwa Huang, “Performance analysis of soft handoff in CDMA cellular networks,” IEEE J. Selected Areas Comm. , Vol. 14, No. 9 , pp.
1762 –1769, Dec 1996.
ATM
BS
BS MT
BS
3Com 3Com
3Com 3C om
3Com 3C om
M T
MT Handoff
WAN switch
Handoff
Cellular Networks switch
ATM Networks
MT MT MT
MT BS
Handoff
BS : Base Station MT : Mobile Terminal BS
MT
MT MT Handoff
圖一 無線 ATM 網路架構
封 包 排 程
找 尋 訊 框 中 所有 相 同 型 態 的 時 槽
容 量 未 滿
找 尋 訊 框 中 所有 空 的 時 槽
空 時 槽
轉 換 時 槽 型 態
服 務 中 的 連 線 下 一 訊 框 優
先 排 程
拒 絕 連 線
結 束 封 包 排 程
將封 包 置 入 該 時 槽
成 功 未 滿
設定 時 槽 型 有 態
已 滿
無
失 敗 是
否
找 尋 BER要 求 較 低 的時 槽 (ABR-> VBR or CBR、 VBR-> CBR)
移 交 換 手 連 線 優 先 安 排 上 一個 訊 框 未
排 入的 連 線 封 包
本 訊 框 要 傳 送的 封 包 依 EBR由 低 到 高 排 序
動 態 資 源 分 配 演 算 法
所 有 封 包 安 排 完 成
是
否
是 否
圖二 封包排程示意圖
No Yes
Deg(HOABR,Min), Resource av ailable?
Yes START
Deg(HOANY,Av g), Resource av ailable?
Yes
Deg(MAX{OGVBR},Av g), Resource av ailable?
No
Yes
No No Deg(HOVBR,Min), Resource av ailable?
Yes
Yes No
No Yes
HOABR Deg(MAX{OGABR},Av g),
Resource av ailable?
Call Dropping
END
Call Accept No
Yes
Yes
Select{OGABR}
> Av g No
No
Select{OGABR}
> Min Deg(MAX{OGABR},Min),
Resource av ailable?
Yes
No
No
Select{OGVBR}
> Av g
Select{OGVBR}
> Av g Deg(MAX{OGVBR},Min),
Resource av ailable?
Yes
No
No
圖三 DRAM 流程示意圖
Arrival Rate (calls / min)
160 180 200 220 240 260 280 300 320
Handoff call drop ratio (%)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
10% GC 20% GC 10% GC-Wisper 20% GC-Wisper DRAM
圖四 移交連線斷訊率(handoff call drop ratio)
Arrival Rate ( calls / min )
160 180 200 220 240 260 280 300 320
New call block ratio (%)
-10 0 10 20 30 40 50 60
F CF S (NPS) 10% GC 20% GC 10% GC-Wisper 20% GC-Wisper DRAM
圖五 新連線阻塞率(new call block ratio)的比 較
Arrival Rate ( calls / min )
160 180 200 220 240 260 280 300 320
System call block ratio (%)
0 10 20 30 40
F CF S (NPS) 10% GC 20% GC 10% GC-Wisper 20% GC-Wisper DRAM
圖六 系統整體連線拒絕率(System Call Block Ratio)比較
Arrival Rate ( calls / min )
180 200 220 240 260 280 300
Throughput (Mbps)
85 90 95 100 105 110 115 120
F CF S (NPS) 10% GC 20% GC 10% GC-Wisper 20% GC-Wisper DRAM
圖七 輸出率(Throughput)比較
Arrival Rate ( calls / min )
160 180 200 220 240 260 280 300 320
Schedule_efficiency (%)
70 75 80 85 90 95 100
F CF S (NPS) 10% GC 20% GC 10% GC-Wisper 20% GC-Wisper DRAM
圖八 排程效能(schedule efficiency)比較
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