以訊框為基礎的無線ATM網路的可適應MAC及錯誤控制協定之研究

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 無線 ATM 網路的 MAC 排程演算法的設計

計畫編號：NSC-89-2213-E-011-147

執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 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：周書碩 楊文仁 黃宗模 趙英豪 張建偉 台灣科技大學電機系 一、中文摘耍

在無線 ATM 網路中，媒體存取控制 (medium access control; MAC) 協 定 的 策 略，深深的影響無線網路的效能，本研究 分別以時框(frame)及時槽(time slot)為基 礎，在 TDMA/MC-CDMA 方式下，提出 排程(scheduling)演算法，最後利用程式模 擬取得結果。

關鍵詞: 無線 ATM 網路、媒體存取控制 (medium access control; MAC) 、 時 框 (frame)、時槽(time slot)、排程(scheduling) Abstr act

The strategy of MAC deeply influences the performance of the wireless networks. The frame-based scheduling algorithm and slot-based algorithm using the combination of TDMA and MC-CDMA for the MAC protocol of wireless ATM networks are presented. Simulation results are included in this report.

Key wor ds: wireless ATM network, medium access control (MAC), frame, time slot, scheduling

二、緣由與目的

ATM 網路對多媒體資訊的傳輸，有極 佳的支援。因此，在無線網路中，可考慮 採用 ATM 技術。在無線通信的環境中，

頻道是非常稀有且珍貴的資源。當使用者 增加而需要較多頻寬時，頻譜並無法隨之 增加，因此，針對無線傳輸媒體，如何設 計一個有效的媒體存取控制協定，以充分 有效地利用頻寬是極為關鍵的[1-9]。

本研究為了有效利用無線頻道，研究 特別針對以時框及時槽為基礎的 TDMA 及 MC-CDMA，提出排程演算法[2-6]。

三、排程演算法的描述

所謂的 Multi-code CDMA，即每一行 動通信終端設備(mobile terminal; MT)，可 以使用多個 PN-code 來傳輸，在此假設每 一個 PN-code 用來傳送一個封包，如此一 來，在同一時槽中行動台便可同時傳送多 個封包，至於可傳送多少個封包，則受限 於行動台的最大傳輸速率和當時時槽所剩 餘的容量[2, 4]。

時槽的分配原則是：把有相同位元錯 誤率(bit error rate; BER)要求(request)的封 包排到同一時槽，在同一時槽中的封包用 同一功率傳送。也允許同一時槽中傳送不 同類別的封包，但仍需用同一功率傳送，

功率的大小以 BER 要求最高者為準。和同 一時槽使用不同功率傳送封包做比較，前 述方法(同一時槽使用同一功率傳送封)有 較高的傳輸效能和封包遺失率(packet loss rate) [2-5]。

3.1 以時框為基礎的排程演算法

排程主要分為四部分：(1)計算 Batch 的優先權、(2)計算每一 Batch 在下一時框 中可傳送的封包個數、(3)排程處理模組和 (4)時槽分配模組。以下分別詳述。

(1)計算 Batch 的優先權

假設在時間 t，Batchβ的優先權為 Φ^β(t)，其 timeout 為

F

P

n

2

transmission rate; MTR)，亦即在一時槽 (time slot) 中 所 能 傳 送 的 最 大 封 包 個 數，N

p

P

n

P



Φ^β(t) = Min (P

_n

_p

作如下的修改：

(i)優先權的計算方式仍為式(1)

(ii)給予 timeout=1 的 Batch 最高優先權 (iii)各流量類別的優先權為式(1)乘上 一個加權值。例如：流量類別若為 CBR_VIDEO，則其加權值為 3。若 為 DATA，則此加權值為 2。

(2)計算每一 Batch 在下一時框中可傳送的 封包個數:

假設在下個時框中 Batchβ可傳送 的封包個數為 N(β)，計算方法如下：

N(β)＝Max (Φ^β(t)Î

M n

排程處理模組主要的動作是：依照 優先權的高低，逐一處理排程表上的每 一個 Batch，並呼叫時槽分配模組分配 時槽給 Batch。

(4)時槽分配模組

時槽分配模組的功能是：依照傳送 Batch 被允許傳送的封包數(N(β))，來 分配時槽。時槽分配模組分成兩個子模 組，各自的動作分為：

子模組 1：找到和 Batch 相同流量類別 的時槽，則分配時槽給 Batch。

子模組 2：

Step1: 若 找 到 空 的 時 槽 ， 則 分 配 給 Batch 使用。若 Batch 的 N(β) 未被分配完，則進行 Step 2.

Step2: 找到 BER 要求高或等於 Batch 的 BER 要求的非空時槽，分配 給 Batch 使用。若 Batch 的 N(β)

未被分配完，則進行 Step3.

Step3: 找到 BER 要求低或等於 Batch 的 BER 要求的非空時槽，計算 當變更時槽的流量類別為 Batch 的類別後，時槽容量是否夠容納 原先使用該時槽的封包數；若 是，則分配給 Batch 使用。

3.2 以時槽為基礎的排程演算法

當系統收到 MT 第一次要求的訊息 時，必須考慮目前系統的負載狀況及通道 情形，判斷是否能保證其服務品質。若可 以保證其服務品質，而能達到要求的頻寬 及資料錯誤率，才允許其進入系統使用系 統資源；否則此要求將被拒絕，MT 須再 隔一段時間重新提出要求。

系統將先依照流量類別來排程，相同 流量類別再以目前的 time-out 值來區分優 先權。系統先訂定各流量類別傳送時間比 例。假設語音(voice)和數據(data)比例為 3：1，則系統排程時間軸分配會安排傳送 三個 slot 時間的語音資料後，安排一個 slot 時間給 data 傳送，再傳送三個 slot 時間的 語音資料，以此比例不斷循環。

傳送語音資料時，若還有空的時槽，

系統將評估資料錯誤率是否可傳送數據，

因為傳送數據時必須達到較嚴格的傳輸標 準。若能負荷，再選取數據的使用者，同 時傳送數據。至於此比例，系統可依照個 別需求而訂定不同考量的比例[2-9]。

整個系統的流程可敘述如下：當 MT 有 資 料 要 傳 送 時 ， 使 用 系 統 保 留 之 PN-code 發出要求訊息，並等待系統排程 回應，若超過一段時間沒有被排程則判所 碰撞，再度傳送預約資訊。當 MT 收到系 統在保留之 PN-code 的控制時槽回應時，

取得此 MT 所專屬之 primary PN-code，運 算取得其他可使用的 PN-code，並在下一 個時槽時間傳送資料，傳送完之後，監聽 此 PN-code 下傳(downlink)的控制時槽，是 否允許傳送；若有，則在下一個時槽傳送。

若有新的要求，則在最後一個時槽增加預 約 的 動 作 ， 可 減 少 利 用 系 統 保 留 之 PN-code 發生碰撞的可能性。

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四、模擬結果

以時框為基礎的排程演算法的模擬 工作經由下例三種方法來完成：非時槽預 留(non slot reservation; NSR)、時槽預留 (slot reservation; SR)以及有優先權調整的 時槽預留(SR_PriAdj)。圖 1 和圖 2 中，分 別為呼叫阻塞率(call block rate)及封包遺 失率(packet loss rate)的模擬結果，在 NSR 方法中，系統不會在排程表中針對每一種 資訊流預留時槽；在 SR 及 SR_PriAdj 兩 種方法中，時槽預留的工作會在排程工作 之前完成，優先權Φβ(t)的調整僅採用於 SR_PriAdj 的方法中。

Call Blocking Rate (%)

Load (calls/hour)

NSR SR SR_PriAdj

4000 12000 20000 28000 36000

8000 16000 24000 32000 40000

0 5 10 15 20 25 30

圖 1 以時框為基礎的呼叫阻塞率

Packet Loss Rate (%)

Load (calls/hour)

NSR SR SR_PriAdj

4000 12000 20000 28000 36000

8000 16000 24000 32000 40000

0 5 10 15 20 25 30

圖 2 以時框為基礎的封包遺失率

以時槽為基礎的排程演算法的模擬 結果顯示於圖 3 和圖 4 中，它們的音訊、

數據及視訊的時槽配置比率為 4:1:10 及 3:1:10。

Load (calls/hour)

4000 12000 20000 28000 36000

8000 16000 24000 32000 40000

4:1:0 03:1:10

Call Blocking Rate (%)

4 5 6 7 8 9

0 1 2 3

圖 3 以時槽為基礎的呼叫阻塞率

Load (calls/hour)

5000 15000 25000 35000 45000

10000 20000 30000 40000

4:1:0 03:1:10

Call Blocking Rate of Voice (%)

20 25 30 35 40 45

0 5 10 15 50 55

圖 4 以時槽為基礎的呼叫阻塞率(語音)

五、結論

從以時框為基礎的排程演算法中，我 們發現時槽預留機制確能改善封包遺失 率，及加強時槽利用率，然而呼叫阻塞率 卻同時增加了。時槽預留加上優先權調 整，也能夠改善封包遺失率，並且甚至能 減少呼叫阻塞率，當然 SR 及 SR_PriAdj 這兩種方法的控制方式均較 NSR 複雜。

根據以時槽為基礎的排程演算法的模 擬結果，我們觀測到，語音訊號的呼叫阻 塞率高於視訊。但能夠藉著增加語音訊號 的配置率，來降低語音訊號的呼叫阻塞 率，我們也觀測到，以時槽為基礎的排程 所得到的封包遺失率，較以時框為基礎的 排程為低。

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參考資料

[1] Dipankar Raychaudhuri, “Wireless ATM Networks: Architecture, System Design and Prototyping,” IEEE Personal Comm., pp. 42-49, Aug. 1996.

[2] 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.

[3] Anthony Acampora, “Wireless ATM: A Perspective on Issues and Prospects”, IEEE Personal Comm., pp.8-17, Aug.

1996.

[4] Chih-Lin I. and Richard D. Gitlin,

“Multi-Code CDMA Wireless Personal Communications Networks,” ICC’95 Conference Record, pp.1060-1064, Seattle USA (IEEE 1995).

[5] B.Kraimeche, “Wireless ATM: Current Standards and Issues,” Wireless Comm.

and Networking Conference, vol.1, pp.56-60, IEEE 1999.

[6] Tero Ojanpera and Ramjee Prasad, “An Overview of Air Interface Multiple Access for IMT-2000/UMTS,” IEEE Communication Magazine, pp.82-95, Sep 1998.

[7]Zhao Liu, Mark J. Karol, Magda El Zarki, and Kai Y. Eng, “Channel access and interference issues in multi-code DS-CDMA wireless packet ATM networks,” Wireless Networks, Vol.2, pp.173-193, 1996.

[8] F. Adachi, K. Ohno. A Higashi, T. Dohi, and Y. Okumura, “Coherent Multicode DS-CDMA Mobile Radio Access,”

IEICE Trans. Comm., pp.1316-1324, vol.

E79-B, September 1996.

[9] M. J. Karol, Z. Liu and K. Y. Eng,

“Distributed-queueing request update multiple access (DQRUMA) for wireless packet (ATM) networks,” ICC’95 Conference Record, pp.1224-1231, Seattle, USA (IEEE 1995).