行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
跨層式感知與協力 4G-IMS 無線網路研究--子計畫三:跨層 式感知與協力 4G-IMS 無線網路之服務品質與資源管理研究
(3/3)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 99-2219-E-011-006-
執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 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 ： 陳俊良
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：楊佩嘉 碩士班研究生-兼任助理人員：鄭秉昇 碩士班研究生-兼任助理人員：張新毅 博士班研究生-兼任助理人員：馬奕葳
報 告 附 件 ： 國外研究心得報告
出席國際會議研究心得報告及發表論文
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 100 年 10 月 14 日
跨層式感知與協力 4G-IMS 無線網路研究
子計畫三：跨層式感知與協力 4G-IMS 無線網路之服務品質與 資源管理研究(3/3)
計畫編號：NSC 99－2219－E－011－006 執行期間：99 年 8 月 1 日至 100 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳俊良 國立台灣科技大學電機工程學系 計畫參與人員：楊佩嘉、馬奕葳、鄭秉昇、張新毅
一、 中文摘要
無線通訊及行動計算技術的日新月異，使行動通 訊者及服務提供者處於異質的網路環境中。根據 4G 之定義，高速移動中傳輸最高能達到 100Mb，而低速 移動或靜止時則能達到 1Gbps 的傳輸速率。有鑑於此，
WiMAX 與 LTE 目前都被視為下一代行動網路，因此 未來 4G 將以異質網路共存方式呈現，促使異質網路 整合技術及多媒體應用服務成為發展焦點。藉著 IMS
（IP Multimedia Subsystem）平台依據開放式和標準化 的架構，可讓服務提供者在平台上同時提供語音、數 據與視訊等多樣應用服務。然而隨著使用者的移動行 為，在跨越各種異質的網路環境時，將會造成各種不 同層次的 Handoff，進而導致不同程度的封包遺失，
因此在 4G-IMS 的網路環境中，服務品質與資源管理 將是ㄧ項重大的挑戰。
本計畫第一年完成 C3QM (Cross-layer, Cognition, Cooperation, QoS Manager）4G-IMS 網路架構、介面
定義和 C3QM 資料 層模組設 計與開發 以及 C3QM
4G-IMS 網路中 C3QM 控制層 QoS（Quality-of-Service）
動態調配，透過資料層之介面與模組定義，完成 Flow Classifier 、 Monitoring 機 制 設 計 ， 並 強 化 Data Collection/Transmission 之運作。本計畫第二年要點在 於 C3QM 4G-IMS 網路之 QoS 動態控管的服務整合，
藉由 Cooperative 機制達成。
本研究第二年完成控制層 Handoff Differentiation
機制及 Cooperative 運作的定義與設計，提供 QoS 所 需 之 功 能 模 組 ， 在 QoS Agent 與 Cross-Layer 、 Cognitive 及 Cooperative Process 處理機制設計，透過 跨層與感知合作決策模式，於 HSS (Home Subscriber Server)、PCRF (Policy and Charging Rule Function)與各 異質網路路由器中，建置 QoS Agent，滿足異質網路 中不同的應用所提出的 QoS 需求。
本研究第三年完成 Quality Assurance Management Charging System 之介面定義與模組設計，於 4G-IMS 系統提供計費機制與控制功能，並於應用服務、子系 統(IMS)和業務(如 MMS)各層實現 Online Charging 和 Offline Charging Module，進行即時監控各層的資源使 用情況，檢測相關計費資訊，透過前兩年研究所設計 之 PCRF (Policy and Charging Rule Function)，強化 PCC(Policy Control and Charging)架構，依據 Charging Module 蒐集並運算系統所消耗之資源利用率結果，作 為 Charging System 收費之計算標準，以基於使用者計 費原則，給予用戶最佳之 Service 分配。
本研究之 C3QM 系統建置完成後，藉由 4G-IMS
Testbed 進 行 運 作 測 試 及 效 能 分 析 。 此 系 統 啟 動 Quality Assurance Management Charging System 後，
Operators & Managers 可針對多媒體應用服務訂定費 率 。 效 能 分 析 結果 顯 示 於語 音 計 費 服 務 模式 下 ， Session 使用 PCMU Codec (64 kbps)會比使用 GSM Codec (13.6 kbps)多出五倍的費率；而 Video Stream 的
計費服務，計費系統每隔五秒就會記錄 Video Stream 之流量轉換成服務費率。
關鍵詞： IMS 平台、跨層管理、服務品質、資源管
理、感知網路、協力網路
Abstract
Accelerated advances in wireless mobile communications technology have rapidly transformed mobile communications and services. These advances are exhibited wireless access networks, mobile terminals and service providers. As companion, the emerge of IP multimedia subsystem (IMS) platform allows service providers to accommodate extended services, such as voice, data and video streaming based on open architecture and standards. Through unified heterogeneous networks, users are enabled to access applications using distinctive user terminals equipped by different network access technologies. When users’
terminals access the applications across various network environments, the terminals have to deal with different level of handoff decisions. As generally assumed, the certain degree of packet loss incurred by the variation of handoffs. This poses a major challenge for QoS provisioning and resource management in 4G-IMS network environment.
In the first year, the project has completed the implementation of the “cross-layer, cognition, cooperation, QoS manager” (C3QM ） on 4G-IMS network infrastructure. The C3QM data plane modules were designed and developed on each defined interface.
Then, dynamic allocations of and quality-of-service (QoS） mechanism was embodied into the control layer of the C3QM 4G-IMS network. In addition, the project also focused on integrating services of QoS dynamic control in the C3QM 4G-IMS networks. The data plane interfaces and modules were used to accomplish Flow Classifier and the Monitoring mechanism design as well
as to improve Data Collection/Transmission functions.
In the second year, the project completed the QoS agent and cross-layer, cognitive and cooperative process mechanism by using a cross-layer design and cognition-cooperative decision-operating mode. It satisfied the QoS requests for various applications in heterogeneous networks. In order to enhance the QoS, this work established a hardware environment that integrates each sub-project mechanism to preform experimental tests analysis, through the analysis the function of each model confirms the evaluation of the system performance.
In the third year, the project completed the design and development of Quality Assurance Management and Charging System interfaces. QAM Charging provides 4G-IMS system billing and control mechanisms. The different services levels such as GPRS, IMS and MMS were combined with Online Charging and Offline Charging modules which conduct real-time monitoring of resource utilization levels and detect the relevant billing information. Moreover, the project enhanced the PCC (Policy Control and Charging) function using PCRF (Policy and Charging Rule Function) to offer a high level charging flexibility. In contemplation of achieving users’
best-assigned services through user-based billing principles, the charging module computes the system resource utilization follows the charging standard.
Keywords:
IP Multimedia Subsystem Platform, Cross-Layer Management, Quality of Service, Resource Management, Cognitive Network, Cooperative Network二、 緣由與目的
為 了 強 化 模 組 化 的 概 念 ， 傳 統 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)通訊協 定採用階層式(Layer)的模組化設計(如圖一所示)[1-3]，
主要的目的在於訊息溝通只發生在相鄰的階層之間。
因此，引發一些影響效能的問題，例如無線網路之安 全性、服務品質、行動通訊的電力耗損與高錯誤率等 問題。如繼續維持此模組化的運作架構，勢必會影響 未來 4G 環境的整體執行效能。以下針對幾項重要影 響效能課題說明之。
圖一: TCP/IP 各層的相關協定架構
1.Security：在現階段的網路環境中，使用了許多加密 協定與技術，例如 Transport Layer 與 Application Layer 之 SSH、PGP 及 SSL、Network Layer 之 IPsec、無線 網路之 WEP、WPAN 等技術。由於每個階層皆執行加 密動作，雖然可以增加整體的安全性，但相對地，由 於要處理多次的加密運算，將會造成較多的能量耗損，
並增加傳輸時的延遲[4, 5]。在未來的行動通訊網路應 用，需研究如何避免此類安全考量所帶來的負面效 應。
2.Quality-of-Service：現行的網路服務可以分為 Elastic Service 和 Real-Time Service [6, 7] 。 面 對 Elastic Service，如 FTP 協定的檔案傳輸、HTTP 協定的網頁 資料傳輸等，這些服務在一段時間內完成工作即可；
而 Real-Time Service，如語音訊息、影音資料等，由 於這些服務較具即時性的需求，因此必頇在限定的時 間內完成工作。但在現行的網路環境下，系統無法動 態地針對不同的需求提供適當的服務，造成無法滿足 使用者所需的 QoS [8,9]。
3. Mobility Management：當初在設計 Internet 通訊協 定運作架構時，並沒有考量到 Mobility 的問題，使得 在無線網路應用時，利用 IP 為基礎的無線網路通訊協 定，無法得到良好的 Mobility 效能。現今在 Handoff 的過程中，也因為 TCP/IP 設計上的缺失，而使得在完 成 Handoff 後的短暫時間內，無法維持 Handoff 前之 傳輸效能，造成在網路頻繁的 Handoff 情況下，使得 整體傳輸效能變得低落[10,11]。
為了解決上述 Layer-based TCP/IP 的問題，本研 究 提 出 一 套 Cross-Layer Design for Cognitive and Cooperative 4G-IMS 網路應用架構(如圖二所示；整合 計畫目標)。其中，Security and Privacy 模組，主要是 為了解決行動通訊系統中多層次的加密及認證動作；
QoS 及 Resource Management 模組，主要是管理網路 資源及對 QoS 的確保，並加入了計費標準的分級；
Mobility 及 MAC Management 模組，則是為了在異質 網 路 間 漫 遊 ， 且可 同 時 使用 多 頻 道 的 通 訊功 能 ； Application and Services 模組，則是針對 Audio 及 Video 應用服務，選擇適合的編碼方式，並且依據所連結的 網路頻寬，進行調整。
圖二: C3
QM 4G-IMS 網路應用架構
綜合上述在 TCP/IP 網路運作上所可能會發生的 問題和解決架構，本研究提出一套 C3QM (Cross-layer,
Cognition, Cooperation, QoS Manager)架構，作為各階
層間溝通橋樑，以解決 QoS 議題所面臨之困境。圖三 為 C3QM 的基本架構，C3QM Manager 可以接收各階 層間所發出之 Events(如表一所列)，例如 Handoff Start、Link Lost，由這些 Events 觸發 C3QM Manager 內的各 模組運作，並調控所有階層之運作。
圖三: Cross-Layer Manager
表一: 各階層之 Events 和可供調控的 Variables
近年來，由於無線通訊及行動計算技術的日新月 異，使行動通訊者及服務提供者處於異質的網路環境 中。此種異質性存在於無線存取技術、網路、使用者 終端機、裝置設備、應用程式及服務提供者等。基於 下列理由，這些異質性在可預見的未來不太可能消失 [12]：
1、應用程式需求的多樣化，以致於很難找到單一最佳 化且全面性的解決方案。
2、基於競爭公司佔領市場的渴求，許多擁有專利的系 統紛紛相繼釋出。
因此，一個異質環境提供 Seamless 且 Adaptive 的服務品質，將是下一代無線通訊系統的致勝關鍵之 一。未來，提供使用者符合經濟效益、無所不在、無 處不連以及高服務品質的網際網路是最基本的需求。
然而，在一個異質無線網路環境中，應用程式可能因
為不同的網路狀況，而使得執行效能降低，而這些效 能的波動將被大範圍的散佈開來。為了解決這些問題，
必頇有一個能讓上層應用不受底層變化所影響的 QoS 設計，以確保服務品質的提供。本計畫的研究將著重 於目前 TCP/IP 階層式架構中 QoS 不足的部份提出解 決策略，以下茲介紹國內外研究實例，說明 QoS 在有 無 Cross-layer、Cognitive、4G-IMS Network 支援情況 下的差異。
三、 文獻探討
本計畫依據所提出的異質網路環境以及欲達成服 務品質保證與資源管理的目標，分別針 對 IMS、
Cross-Layer Issue 及 Cognitive Network 進行文獻的蒐 集與分析，以利計畫的研究與開發‧
3.1 IP Multimedia Subsystem (IMS)
IMS 是由國際合作組織 3GPP (3rd Generation Partnership Project)所提出的技術標準。IMS 平台主要 以 SIP (Session Initiation Protocol)為基礎，透過開放和 標準架構，使服務提供者可以在 IMS 平台上同時提供 語音、數據、與視訊等多樣化應用服務，亦可以作為 固網、WLAN、WiMAX、GSM、GPRS 等有線或無線 網路的共同平台。IMS 的應用目的，係在 3G 網路架 構中提供行動網際網路的服務，並確保在不同網路間 轉換時的 QoS [13, 14]。
在 Mobile Network 內提供 QoS 是相當具挑戰性的 議題。由於頻寬之變動、基地台之間 Handoff 問題，
嚴重影響封包之傳遞，使得 Mobile Network 中的 Realtime Applications 相當容易受影響。在一般的有線 網路中，封包傳輸處於「最佳效率」的狀態，此狀態 意味著網路會儘量保持 Application 所需的頻寬，但不 會依據頻寬的可用性和網路的擁塞情形，予以任何的 保證，此項設計並無法確保 Mobile Network 中的 Real-time Applications 服務 QoS [15]。
整合 SIP-based Network Mobility 至 IMS 環境中，
其帶來好處是節省電力、複雜度低、減少 Handoff。
此研究提出兩種機制: Loosely Coupled Architecture 以
及 Tightly Coupled Architecture。在 Loosely Coupled 架 構中(如圖四所示)，能保持原有 SIP-NEMO 及 IMS 特色，並且在會議建立初始時，讓控制訊號順利通過 Interrogating Network 環境。
圖四: 利用鬆散耦合建立 Session 的訊號流程
此外在 Tightly Coupled Architecture 中(如圖五所 示)，其特色是其利用 SIP-NEMO 網路代理者，當作 是使用者代理人，整合 SIP-NEMO 於 IMS 中，進行 些許修改，加強其架構，使之更為完備，並且提供 IMS Network 安全機制[16]。
圖五: 利用緊密耦合建立 Session 的訊號流程
IMS 的 QoS 機制是為了取代「最佳效率」狀態而 設計，以確保所提供的傳輸品質。IMS 的 QoS 機制為 確保封包傳輸的品質，經由對相關網路狀態參數如傳 輸率、閘道延遲及錯誤率之量測，使得 Resource 可事 先被保留。用戶可依據服務形式及用戶環境，指定要 求的 QoS。IMS 中「智慧型」的 QoS Request，被稱 為政策決策功能 (Policy Decision Function，簡稱 PDF) 模組(運作架構如圖六所示)，藉由 PDF 模組與基礎分 封網路之間的互動，控制基礎分封網路資源的分配(透
過 GoInterface 至 GGSN)。
圖六: IMS Policy Decision Function 運作架構
在 IMS 標準中，明確地規範 QoS 參數可在兩個 UE (User Equipment)的 Session 建立前，先進行協商動 作 [17]。其目的在於檢查兩個 UE 之間的各段連線是 否有足夠的 Resource 可供運用，當 QoS 參數被確認後，
IMS Network 則 會 要 求 Core Network 及 Access Network 為該 Session 保留 Resource。
當 UE1 對 UE2 發出 INVITE Message 時，該 Message 會 夾 帶 QoS Proposal (Request) ， 此 QoS
Proposal 則 會 分 別 於 UE1 及 UE2 的
S-CSCF(Serving-Call Session Control Functions)檢查其 Subscription Level，並確定 QoS 參數。其後，UE2 會 回傳其所屬之 QoS Proposal，此 QoS Proposal 也會於 UE1 及 UE2 之 S-CSCF 檢查 Subscription Level，並根 據此 Level 確定 QoS 參數。最後，UE1 會接收 UE2 的 QoS Proposal，並開始建立 Session 或是根據 SIP UPDATE Message 做出 Renegotiate 的動作。透過 SIP Message 傳遞 QoS 參數，使得 Session Data 得以藉由 Session Description Protocol (SDP)傳輸[18]。
3.2 Cross-Layer Issue
AMC with ARQ 系統
在無線環境中進行資料傳輸，無線傳輸媒介並不如 有線網路穩定。無線訊號時常面臨各種雜訊及干擾，
使得封包的錯誤及遺失較有線環境更加頻繁。如何克 服無線環境中 Channel Fading 的問題，以確保資料傳 輸的 QoS，成為許多研究的重點。AMC with Data Link
Layer ARQ 即依照 Cross-Layer 的設計理念，考慮以 Physical Layer 傳輸的調變及編碼方式（Modulation and Coding），搭配 Data Link Layer 的自動重傳請求訊號 (Automatic Repeat Request; ARQ)，達成即時調配的訊 號傳輸，增進無線網路的資料傳輸量。
圖七為發送端以無線的方式傳送資料給接收端，
其間的傳輸 Channel 受 Channel Fading 干擾。一般 Data Link Layer 在傳輸期間，若受到雜訊干擾，而導致資 料錯誤或遺失，則發出 ARQ 訊號作為自動重傳請求；
若傳輸 Channel 依然持續受到相同的雜訊干擾，則重 新傳送資料的成功率依然會受到影響。因此，有相關 研究在接收端加入 Channel 偵測器，評估 Channel 的 實體環境之後，動態選擇適合的調變編碼模式，並搭 配 ARQ 的使用與發送端進行協商，選擇調變編碼模 式來進行傳輸。
圖七: AMC with ARQ 系統架構圖
如此設計，即包含了跨越 Physical Layer 及 Data Link Layer 的 Cross-Layer 運作概念，以改善資料傳輸 時 的 Throughput ， 進 一 步 確 保 了 上 層 資 料 傳 輸 的 QoS。
ECN Bit 系統
一般網路上的路由器，遇到網路擁塞的情況時，
將會丟棄超載的封包，此時會造成傳送效能低落。因 此，許多研究傾向在封包欄位中加入一個 ECN Bit
（ Explicit Congestion Notification Bit ）， 以 便 對 Congestion Related Loss 的情況及 Channel Related Loss 的情況作區別。如圖八所示，當網路發生擁塞的狀況 時，Router 將把封包中的 ECN Bit 欄位設定為 1，接 收端收到封包後，即可得知網路正處於擁塞的情形，
同時回傳封包至原發送端並將 ECN bit 設定為 1，原 發送端也因而得知網路的擁塞情況，此後兩端傳輸將 會依照相對應的排程機制，進行適當的傳輸動作，以 避免因 Congestion 與 Channel Fading 情況的混淆不清，
所導致縮減傳送速率的誤判。依據這些不同的實體網 路狀況作適當的傳送排程，一方面可以動態因應實際 的網路狀況，以避免在環境不佳的時段傳送資料，另 一方面也可避免因擁塞狀態的誤判，所導致不必要的 傳送速率縮減，從而改善整體的傳輸效能，也確保 QoS。
圖八: ECN Bit 系統架構圖
ECN Bit 系 統 主 要 提 出 的 概 念 是 由 Physical Layer 直 接 將 即 時 的 網 路 環 境 狀 況 ， 向 上 反 映 至 Network Layer,運用 IP 表頭的附加欄位作標示，以便 區隔 Congestion 及 Channel Fading 這兩種情況所造成 的封包遺失，也同樣屬於利用 Cross-Layer 的設計理念，
以確保 QoS 的實例。
WQE（Wireless Quality Enhancer）系統
WQE 系統(如圖九所示)主要是在無線網路中，
加入 WQE 裝置至 AP 有線端。上層的應用程式會將 該應用之 QoS 需求附加在每個資料片段，傳遞到 Network Layer；資料流在網路傳遞時，在 IP 表頭的延 伸欄位附加相關資訊以供區別 QoS 的需求。WQE 系 統裡的 AP 能夠依據不同 QoS 的需求，以不同的傳送 策略進行傳遞。假如遭遇 QoS 需求無法識別的封包，
便會將該封包送到 WQE 設備，由 WQE 依據該封包 的 QoS 需求，來指定適當的傳送策略，再將此傳送策 略讓 AP 知道，並由 AP 依據 WQE 所指定的傳送策略 來進行傳送。
圖九: WQE 系統架構圖
WQE 系統設計即從上層的 Application Layer 跨 越至 Network Layer，將 Application Layer 的 QoS 需求，
利用附加資訊的方式通知下層的 Network Layer 知道，
再利用此附加資訊，依循不同的傳送策略進行傳輸。
一些具有代表性的跨層式設計方案如圖十所示 [19-26]。更具體來說，跨層式設計在各層會利用到的 參數如下。
應用層： Application Types, QoS Requirements 傳輸層： Rate Allocation, Rate Control 網路層： Routing Policy, Admission Control MAC 層： Channel Assignment, Scheduling 實體層： Rate Adaptation, Power Control
圖十：跨層式之設計研究
3.3 Cognitive Network
感知網路(Cognitive Network)概念是以感知無線 電(Cognitive Radio, CR)為基礎所描繪的網路架構。
Mitola為第一位描述感知無線電的學者，在Mitola的觀 點中，感知無線電是建立在軟體定義無線電(Software Definition Radio, SDR)上[27]。另外，Haykin則將CR
定義為「可察覺周遭環境並從中學習對應方法之智慧 型無線通訊系統，即時改變對應操作參數(例如:傳輸 能量、載頻與調變策略)，統計環境中無線頻率(Radio Frequency, RF)內部狀態之變化，藉以達成以下兩個主 要的目標：訊息傳遞高可靠性以及增加無線電頻譜的 使用性。」[28]。 而Haykin及Mitola對感知給了最廣 泛的定義。其他的定義，如IEEE 1900.1標準和FCC (Federal Communications Commission)提出的感知無 線 電 描 述 ， 可 以 給 這 些 定 義 一 個 更 貼 切 的 名 字 --Adaptive Radios。
Mitola和感知科學家所定義的感知，不僅僅為簡單 適應功能，且感知深層的定義可用Feedback Loop概念 來解釋。Feedback Loop模組係根據過去環境互動情形，
來引導現在與未來的互動。圖十一為Col John Boyd描 述一個稱作OODA (Observe, Orient, Decide and Act) Loop模組的Feedback Loop，迴路包含四個元件，引導 決策者根據環境輸入選擇適當行為的流程。OODA迴 路依據環境做出決定，具有高度複雜性，不完全是隨 機的。
圖十一: OODA Loop運作示意圖
以下分別針對相關研究實例說明之:
Dynamic Channel Sensing Management
在感知無線系統裡，利用 Channel Sensing 的策 略感知其它使用者的存在，不僅影響到感知無線技術 的使用者本身，也連帶地影響到其它使用者[29]。所 以藉由 Orthogonal Frequency Division Multiple Access
(OFDMA)之技術，開發出在感知無線技術系統上有效 率的 Channel Sensing 管理。為了增進整個系統的效能，
上 述 所 提 及 方 法 ， 為 利 用 頻 率 選 擇 性 衰 減 (Frequency-Selective Fading)的 Channel 與考慮不同類 型的主要使用者之 Multiuser-Diversity。其結果顯示，
當減少主要用戶的等待時間，可增加感知無線技術系 統的利用度[30,31]。
圖十二所示，利用 Fixed Quiet Interval 可感知主 要使用者的存在。在此 Interval，當所有感知無線技術 的 使 用 者 停 止 傳 送 和 接 收 資 料 時 ， 稱 之 為 Quiet Interval。由於感知無線技術系統只能夠在此 Quiet Interval 感知主要使用者的存在，所以為了在短時間內 搜尋到主要使用者的存在，Quiet Interval 之間的間隔 不能過大。基地台與其廣泛使用者構成具 OFDMA 的 Cognitive Radio Downlink 系統。為了減少在 OFDMA 系統之上層被 Subcarrier 控制，在此由多個 Subcarriers
構成的「子通道」，可以用來作為控制的單元。而每個
具 有 子 通道 的 系統 ，由 Channel 凝 聚 頻 寬 之 內的 Adjacent Subcarriers 所構成。此外，系統時間被切割 成 Frames，每個 Frame 由 OFDM Symbols 所構成(如 圖十三所示)。
圖十二: Fixed Quiet Interval
圖十三: OFDMA Frame Structure
此研究設計出具 OFDMA 的感知無線技術系統之 動態感知的排程程式，以減少主要使用者的感知時間，
增加感知無線技術系統的利用度。與採取 Fixed Quiet
Interval 的策略相比，此研究提出的設計具有頻率選擇 性衰減的優點，增進 Channel Sensing 的效能。
Self-Aware Networks and QoS
在各種相關的網路架構中，以 QoS-Driven Routing Protocol 為核心的架構，稱為 Cognitive Packet Network (CPN)。CPN 是一種封包路徑選擇(Routing)的協定，
此協定藉由即時線上量測的數據，選擇使用適合的技 術進行路徑選擇。執行 CPN 的必備條件中，其中一項 為第一次進行隨機搜尋時，CPN 即使沒有初始值也能 夠自我啟動(Cold Start)，並經由執行的紀錄，逐步地 改善其行為。由於網路的主要功能是將某一來源(S) 的封包轉送到某一目的地(D)，因此 CPN 必頇具備即 使沒有轉送路徑的資訊，還是能將封包從 S 轉送到 D 的功能(如圖十四所示)。
圖十四: CPN Network Topology
在此研究中利用 CPN 的技術，開發出 Dynamic QoS Control 實驗系統，運作架構如圖十五所示。整個 系統操作範圍在網際網路中進行，使用的是動態流量 控制，其中網路伺服器藉由不同的網際網路連接埠，
將訊息傳遞出去，此方法可以有效的降低上述訊息傳 遞的延遲。
圖十五: Dynamic QoS Control System
網路的使用者可以藉由網際網路存取網路伺服器，
ISP1
ISP2 INTERNET
INTERNET IP
CPN
CPN
CPN IP
IP CPN
CPN
Router-1
Router-2
Web server Http-request Http client Http-reply
而此網路伺服器是直接連結至 CPN [32-35]，此時的 CPN 就如同一個流量控制系統，經由兩個不同的連接 埠，連結到兩個外部 CPN，存取各自 ISP 所提供的服 務，整合之後再經由網際網路，回傳訊息給網路使用 者 [36]。此研究實作了 CPN 封包路徑選擇的協定，
再加上網路伺服器的支援，完成一套 QoS 的感知控制 系統，藉由此感知控制系統，能夠動態地去控管整個 網際網路的 QoS。
Composite Services Charging Management
第三代合作夥伴計畫（3GPP）已經公佈 IMS 上 之收費標準。3GPP 網路的計費方式可區分為離線計 費和線上計費。離線計費只通知系統服務用途並建立 收費記錄，使用者不會與計費功能和應用程式進行互 動，線上計費則允許使用者與計費功能和應用程式進 行請求及互動。
Xu et al. [37]提出了 IMS 的自動化配置與應用程 式 所 組 成 的 服 務 計 費 架 構 ， 該 架 構 使 用 Domain Specific Language（DSL）來實現 Accounting Logic Generator（ALG）的開發。Bhushan [38]提出聯合計費 的機制來解決複雜的計費問題，解決的關鍵在於多域 環境下考慮服務層級協議(SLA)進行使用記錄的交換。
Koutsopoulou [39]提出計費機制來進行計費、結算，
並核算未來的使用者於動態申請之計費機制。Ooms [40]探討如何在多域的 IMS 環境下，以 Diameter 協定 有效執行身份認證、存取權限控制與計費(AAA)，並 將重點放在多域環境的安全性。
網路運營商可以提供基於開放式服務架構（OSA）
的框架接口對應特別的電信協定，如 CAMEL 服務 (CAMEL service)的應用程式部分（CAP）與行動應用 服務部分（MAP），藉以提供對不同服務的監聽控制 器能力。因此，必頇擴展框架的可重構性，以提升服 務品質(QoS)、用戶定制性、服務的供應與靈活的收費 機制。
服務供應商與網路運營商皆為不同管理領域，組 合服務能經由服務供應商來進行提供。虛擬行動網路
運營商（MVNO）由於服務供應商介於行動網路基礎 架構運營商（MNO）之間，可將其視為進行服務整合 的扮演角色，並針對用戶訂閱和文件配置進行管理，
因此，為了 MVNO 及傳統 MNO 用戶的出現，除了與 MVNO 合作外，傳統運營商還需要與其他競爭者的服 務進行整合，以獲得營運上更大的營收利潤。
Multi-Agent System
Multi-Agent Systems (MASs) 是 由 多 個 代 理 者 (Agent)所構成的，MASs 是屬於 Distributed Artificial Intelligence (DAI)系統之一環。DAI 系統是任務分派、
協調、合作與代理者之間的相互作用語言相關研究之 先驅[41]。MASs 的研究目標比 DAI 的目標更寬廣，
其中包含了代理者的分散式網路系統。雖然 MASs 沒 有標準的定義，而在 Jennings 所發表的 Paper 中，定 義了三個概念：Situated，Autonomous 和 Flexible[42]。
Situated 指的是代理者在他們的環境中，可以感覺和行 動。有別於一般對代理者的認知，其定義中有不完整 知識、環境的部份控制權或兩者兼具[43]。Autonomous 指的是代理者能夠像人類般自由地行動，或代理者會 考慮其它代理者於自主程度上的限制。Flexible 指的是 代理者針對環境變動適時做出反應甚至預先行動，並 可以與其它代理者互動，甚至和人們互動，就如同人 們彼此互相幫助解決問題。
Dietterich 描述一個標準代理者模組應包括四個 主要部份：觀察、行動、推論引擎和知識庫[44]。在 代理者模型中，推理和學習是使用推論引擎和知識庫 相結合的結果。而推理是推論引擎從知識庫收集相關 的資訊、知覺的輸入和行動的集合來決定的即時過程。
學習是較長期的過程，藉由推論引擎去評估其關係，
譬如比較過去行動和當前觀察之間的關係，或在並行 的行動之間觀察等，並將其觀察的結論轉換成知識，
再存放於知識庫。
Wooldridge 提 出 兩 個 影 響 MASs 研 究 的 要 點 [45]：
Agent Design(AD)：創造出能夠自主地完成任務的軟 體代理者。Society Design(SD)：創造出在不明確的環
境中，能夠藉著某種程度上的互動，完成任務的軟體 代理者。
其 中 ， 在 SD 設 計 上 ， 可 以 使 用 自 我 組 織 (Self-Organization)的方法。此外，軟體代理者也被設 計成能夠在大型環境及分散式環境裡運行。因此，
MASs 具 備 幾 個 特 性 讓 其 能 夠 去 描 述 Cognitive Network (CN)行為：其方法能夠滿足複雜的系統，讓 不同程度機器學習，能有自然均勻分佈的特點，以及 在非穩定的環境裡仍可運行。由於 MASs 本身具有互 動性，利用這些特點，使得 MAS 的自我組織及緊急 處理性得以滿足複雜的系統[46]。
四、 研究方法
以下介紹本研究所提出相關模組設計以及跨層 式 QoS 策略演算法連結 Charging System 提供之計費 機制與控制功能。
4.1 4G-IMS 架構
圖十六為整體 4G-IMS 環境架構圖，本研究將 QoS 決策建立於 IMS 中 P-CSCF 模組上，對所有通過 P-CSCF 的 Session 進行分析，並將決策後的結果，在 不同存取網路的 Gateway 上進行流量的控管，並針對 使用者的網路環境，判斷是否符合使用者 QoS 的需求，
再進行 Adaptive QoS 決策，挑選最適用的存取網路進 行換手，以滿足使用者對 QoS 的要求。
圖十六: 4G-IMS 環境架構
基於 Cross-layer、Cognitive 和 Cooperative 概念，
本研究擬開發一套 C3QM 系統，以確保 4G-IMS 網路
應用之服務品質和資源妥善管理，並改善使用者對於 服務品質的觀感。圖十七為 4G-IMS 架構模組圖，其 中分為資料層（Data Plane）、控制層（Control Plane）
與知識層（Knowledge Plane）。資料層的主要功能是 負責資料的收集與傳送及對資料流的處理並且收集 TCP/IP 各層的資訊和網路狀況的資料，提供至控制層 和知識層進行分析及管理；控制層主要目的是負責 QoS 的控制及訊號處理，提供資料層與知識層每項功 能執行時所需的控制訊號。控制層收到資料層傳來的 訊息，再依所設計的功能來做處理，並將控制訊號透 過資料層進行處理及傳送；知識層則是基於 MSM (Multi-Service Agent Model)架構的系統，在物件導向 式的 Multi-Agent 系統模組中，每種 Agent 都是主動式 的物件，能夠同時獨立工作。
圖十七: 4G-IMS 架構模組
4.2 QAM Charging System Design
(Quality Assurance Management, QAM) Charging System 對 4G-IMS 系統提供計費機制與控制功能。此 模 組 蒐 集 並 運 算系 統 所 消耗 之 資 源 利 用 率， 作 為 Charging System 收費之計算標準。
本研究所定義之 QAM Charging System 依循 3GPP 的標準，如圖十八所示，提供在應用服務(如 GPRS)、子系統(IMS)和業務(如 MMS)各層的 Online Charging 和 Offline Charging Module，進行即時監控各 層的資源使用情況，從而檢測相關計費資訊。Offline Charging Module 是在資源使用後由網路向計費系統 匯報資源的使用情況；Online Charging Module 是允許 用戶使用請求的網路資源之前，先至此模組查詢用戶
Application Server
HSS SCIM
BGCF MGCF
SGW
MGW RACS
NASS A-RACS PDF
MRF MRFC
MRFP I-BCF/
SIP ALG
GGSN SGSN PDG BAS / A-BGF DSLAM
WAG
RAN 3GPP R7: Fix Network
3GPP R6: WiFi
3GPP R5: GPRS/UMTS
Core Network
PSTN
IPv6 Network
IPv4 Network Service / Application Plane
Control / Signaling Plane
Media / Transport Plane
I-BFG/TrGW Application
Server
Application Server Signaling
Data / Media
CSCF I-CSCF
P-CSCF S-CSCF
帳號，進行即時扣款的動作，而 QAM Charging System 可提供之服務，例如：特定時間的語音呼叫，特定數 據業務的流量傳輸，或者特定多媒體訊息的提交。
Offline Charging Module 和 Online Charging Module 可 以同時相互獨立地處理相同的計費事件。各功能模組 之特性如下所述：
圖十八：QAM Charging System 架構圖
1. Online Charging Module ： 透 過 Online Charging Function(OCF) 進 行 分 類 計 費 。 主 要 利 用 Rating Function(RF) 來 決 定 計 費 價 格 ， 並 運 用 Account Balance Management Function(ABMF)做最後計費 結算。以下則針對各功能模組說明：
OCF：支援 Online Charging 模組進行計費分類，
包 含 事 件 計 費 功 能 （ Event Based Charging Function, EBCF ） 和 會 談 計 費 功 能 （ Session Based Charging Function, SBCF）兩種類別。
EBCF：執行基於事件的計費和信用控制。
EBCF 與 RF 通訊決定請求服務使用的值，與 ABMF 來查詢和更新用戶的帳戶及 Timer 的狀 態。其 EBCF 分為三層應用：在服務層，基於 從網路接收到的承載使用請求控制承載使用，
如 IMS；在子系統層，基於從網路（如 IMS MRFC）接收到的會談資訊使用請求控制資源 的可用性，如：准許或拒絕資源使用；在服務 層，基於從網路接收到的應用伺服器請求控制 應用服務的可用性，如：准許或拒絕服務的使 用。
SBCF：執行基於會談的計費和信用控制。其 SBCF 與批價功能通訊決定請求的承載資源和 請求的會談的值，與帳戶結算管理功能(ABMF) 通信查詢和更新用戶帳戶及 Timer 的狀態。而 SBCF 也分為三層應用：在服務層，基於從網路 接收到的服務使用請求控制服務使用，如允許 的時間或流量；在子系統層，基於從網路（如：
IMS CSCF）接收到的會談資源使用請求控制會 談，如：准許或拒絕會談建立請求、結束已有 通話。在服務層，基於從網路接收到的服務使 用請求控制服務的可用性，如准予或拒絕服務 使用。
RF： RF 可決定費率或可計費事件的價格，如 每秒的呼叫、數據流量、多媒體會談、Web 內 容 等 價 格 。 根 據 從 Charging Gateway Function(CF)接收到的批價請求(價格或費率請 求)，RF 針對各種批價參數(如服務標識、網路 標識、用戶位置、服務使用時間、傳送資料量 等)評估請求，決定可申請的價格或費率模型，
並返回給計費功能 CF。為支援線上批價處理，
RF 需要 Timer，Timer 可由 RF 或 ABMF 維護。
不維護 Timer 的 RF 稱為 class「A」RF，維護 Timer 的 RF 稱為 class「B」RF。RF 功能包括：
流量批價（如針對接入網路實體的計費）；時間
批價（如針對 SIP 應用的計費）；事件批價（如
針對 Web 內容或 MMS 的計費）。
ABMF：主要負責 QAM Charging System 最後 結算之模組。
2. Offline Charging Module：QAM Charging System 中 Offline Charging Module 與傳統之分封交換網路計 費方式不同。Charging Data Function(CDF)在接收 完同一網路元件針對同一通話過程所產生之計費 訊息之後，合併生成 Charging Data Record(CDR)。
另外，CDF 針對單一網路元件生成的 CDR 不包含 通話的所有訊息。Billing Domain 模組在獲取到同 一通話內所有網路元件在 CDF 生成的 CDR 後，可 以獲得所有計費訊息。
基於上述機制，QAM Charging System 將提供完 善和靈活的計費策略。由於次世代行動通訊網路可提 供的服務類型非常豐富，不同服務、不同內容可以採 取多樣的計費策略，QAM Charging System 的計費機 制可有效應用於靈活多變的計費需求。因此，當新的 計費策略引入時，營運商不需要對控制層和服務層網 路進行改造，可修改些許參數與設定，即可運作 QAM Charging System，用以實現相關計費功能。
4.3 Charging 策略
本研究之 Charging 策略依據前兩年所定義之 QoS 機制，按照 3G、WLAN 及 WiMAX QoS 規格，將不 同 類 型 之 應 用 程 式 分 為 Interactive Class ， VoIP ， Video/Audio Streaming 以及 Best Effort 等四個類別(如 表二所示)，每類應用程式具有不同的 QoS 需求，結 合由感知能力所獲取的 RSSI 值進行 QoS 的決策，判 斷是否有更合適的存取網路提供使用者進行 Handoff 以獲得最佳的傳輸品質，如現有網路環境無法滿足眾 多使用者時，再啟動 Charging 機制。當使用者的網路 環境遭受到雜訊干擾時，系統就會根據使用者帳戶的 權重值去判斷是否請求更好的 QoS，有較高權重值的 帳戶便會啟動 QoS 策略機制，以保證應用程式所需的 QoS。
表二:QoS 分類等級 Traffic Classes QoS
Concern
Typical Application
#1 Interactive
Class Reliable Web Browsing
#2 VoIP Delay and
Jitter Voice
#3 Video/Audio
Streaming Packet Loss MPEG Video
#4 Best Effort Throughput FTP download
依據本研究所提供之 QoS 機制，營運商可根據 使用者的付費標準，提供不同等級之服務與效能。計 費機制則主要以兩種參數為其調控主因，其為服務優 先 權 / 計 價 (Service Priority/Accounting) 和 流 量 等 級 (Traffic Class)。
1. 服務優先權/計價(Service Priority/Accounting)：服 務優先權/計價的部份則以使用者付費多寡，來提 供對應之 QoS 服務的概念，或使用者有長期使用 次世代行動通訊網路平台，且讀取 QoS 服務之頻 率較高，則隨時間會逐漸開放其他服務於該使用者 運用。本研究定義以下三種 QoS 等級來定義其使 用者類別，當資源衝突或使用環境受到限制時，將 有助於 QAM Charging System 做出更正確的判 斷。
QoSClass = 3 (白金使用者)
QoSClass = 2 (VIP 使用者)
QoSClass = 1 (一般使用者)
2. 流量等級(Traffic Class)：在流量等級的定義部份，
考慮 Bit Error Rate(BER)、數據段順序(Segment Order)、數據段遺失(Segment Loss)和數據段延遲 (Segment Delay)等因素。本研究將最小分辨流量稱 為 QoS 資料流(QoS Stream)。於表三中，QoS Stream ID #15 代表著最高等級的 QoS 資料流，相反地 QoS Stream ID #5 代表著最低等級，而 QoS Stream ID #1
～QoS Stream ID #4 是預先保留下來供未來擴充使 用。而環境變數(BER、Segment Order、Segment Loss、
Segment Delay)的評估範圍是從#4～#1，這些的參 數設定必頇根據底層頻道狀況來做動態的調整。
表三：流量等級表
以上兩個參數設定後，本研究利用以下方程式(5) 得知 QoS 參數值，可針對每個使用者所要求的服務如 語音、影像串流、資料，規劃出最適當的 QoS 狀態，
再根據第一年所研發之跨層式 QoS 策略與第二年所研 發之 Agent 動態調整 QoS，以滿足每位使用者需求。
QoS = QoSclass * QoSstreamID (5)
由於每個不同的應用服務所需要的 QoS 網路環境 需求都不盡相同，所以針對網路環境狀態提出一個 QoSnetwork 變數，這個變數可由四項環境參數(BER、
Segment Order、Segment Loss、Segment Delay)所組成。
如此再將這 QoSnetwork 變數與上述兩個參數結合，
本研究可得一 Cost 值，如方程式(2)所示，並以此 Cost 值為依據，使得 QAM Charging System 進行相關服務 規劃。
Cost= QoSclass * QoSstreamID * QoSnetwork (6)
圖十九為 Charging System 費率決策之演算法：一 開 始 使 用 者 會 向 系 統 請 求 所 要 的 應 用 服 務 ， 當 Charging System 接收到所需求之服務類型之後，再根 據所定義之 QoS 流量等級表去判斷相應之 QoS Stream ID，選擇出適合此服務的 QoS 配置，若有多個候選網 路符合條件，則選擇 RSSI 訊號最強的作為目標網路，
進行 Handoff，以確保使用者在通訊時能擁有最佳的 QoS 品質保證，如網路環境無法支援現有之 QoS 配置，
則依循使用者帳戶之 QoSclass 去做更進一步的決策，
越高的 QoSclass 將可優先使用最佳之 QoSnetwork，當 服務確定要發送之前，便會傳送給使用者服務費率之 計費請求，完成整個標準費率決策。
圖十九：Charging System 費率決策演算法
圖二十為 Charging System 費率決策之流程圖，
首先針對使用者所要求的應用服務進行 QoS 相關參數
的擷取與運算選擇最佳的 QoS 狀態
，
接著判斷是否有滿足此 QoS 最佳的網路環境，若有最佳的 QoS 網路 環境，便可依照本研究定義之公式決定其費率；若沒 有則判斷此使用者帳戶的 QoS 等級是否高於同一網路 環境的其他使用者，有的話便將使用者的網路切換到 最佳的 QoS 網路環境，沒有就降低此應用服務之 QoS 等級，其最後定義之費率也會隨之降低。當費率決定 之後，才會開始計費的動作，扣除使用者帳戶的 Credit。
圖二十：Charging 決策流程圖
五、 結果與討論
以下介紹本研究的系統效能分析，以及相關實作 的成果。
5.1 效能分析
以下針對附加 Charging 機制下的 Video Stream 與 VoIP Stream 進行模擬量測與效能分析，量測的數據包 括：平均延遲時間(Delay Time)、抖動時間(Jitter)、及 封包遺失率(Packet Loss Ratio)。模擬環境拓樸與各段 連線能力如圖二十一所示。模擬環境包含 3G、WiMAX 與 Wi-Fi 三種網路環境，其網路頻寬分別為 2Mbps、
14Mbps 及 54Mbps；UMTS/Node B、802.16 BS 與 802.11 AP 連結到其 Gateway，其連線能力為 8Mbps，
而 Gateway 與 CN(Corresponding Node)之間的連線能 力為 100Mbp，而兩個 Gateway 之間的連線能力為 20Mbps。
圖二十一:網路模擬環境拓樸
本研究所模擬的應用程式型態為 VoIP 與 Video Stream，相關模擬參數設定與 UE 在某時間點所產生 的封包個數如圖二十二所示。其系統 Throughput 如圖 二十三所示，且於 Wi-Fi 環境則設定起始值為 0 秒，
每五秒產生封包數據；WiMAX 環境固定於 5Mbps；
而在 3G 環境中則起始值設為 70 秒，且每五秒產生封 包數據。
圖二十二: 模擬參數
圖二十三: Gateway Throughput
模擬的結果如下圖所示。圖二十四顯示使用 VoIP 服務計費實行的情形，針對語音計費如 Session 使用 PCMU Codec(64 kbps)將會比使用 GSM Codec(13.6 kbps)多出五倍的費率，而圖中所採用的是 GSM Codec，
曲線的變動是相當平穩。
圖二十四:VoIP 計費
由圖二十五所示為使用 Video Stream 的計費服務，
使用者是透過一個遠端伺服器去獲得多媒體內容，計 費系統每隔五秒就會去記錄一次 Video Stream 的計費 情形，從圖中可以看出計費情況與多媒體當時流量相 關。
圖二十五:Video Stream 計費
5.2 實作成果
圖二十六為本計畫完成之 IMS QoS Framework 架構，其中 Policy Repository 由 Open Source 的 XDMS Server 進行建構，用來儲存定義的 QoS Policy 檔案。
本計畫定義完成四種 Policy，分別為 Codec、Domain Name、QoS Class 和 Application Class Authorization Rules。PCRF 具備 Domain Processor 功能模組，藉由 XCAP 協 定 (Parsing XML documents) 取 得 遠 端 Repository 存放的 QoS Policy 檔案定義之參數，以及 具備 Generic Processor 功能模組取得全域的參數設定。
本計畫處理 AAA 認證需求，主要採取 Open Source 的 Diameter Engine。PCRF 與 AF 之間 AAA 資訊傳遞透 過 Diameter Rx 介面實現，而位於 Transport Layer 之 PCEF 與 PCRF 間資訊傳遞則透過 Diameter Gx 介面實 現。PCRF 能夠接收 AF 傳送的授權要求，依據其 QoS
要求取得對應的 Policy 定義之參數，及結合本計畫完 成之 QoS 演算法決策後的 QoS 參數，封裝成 Gx 介面 之 Diameter RAR 訊息向 PCEF 要求執行。當 PCEF 實 際將 Traffic Flow 執行 Admission Control 後，則回傳 Diameter RAA 訊息給 PCRF。
圖二十六: Proposed IMS QoS framework
圖二十七為編輯 Codec Policy 之介面，藉由此介 面，管理者可依據 QoS 需求，動態更改多媒體傳輸所 需要的 Codec 模式，例如:g722、g723 和 g729 等 Codec。
當完成編輯並按下 Add Codec 按鈕後，PCRF 會接收 到 AF 傳送的認證需求(Rx 介面之 Diameter AAR 訊息)，
將更換後的 Codec Policy 進行處理，再向 PCEF 傳送 再次認證需求(Gx 介面之 Diameter RAR 訊息)，讓 PCEF 實際替換 Session 的 Codec 模式。
圖二十七: 動態編輯 Codec Policy
圖二十八為編輯 QoS Class Policy 之介面，藉由 此介面，管理者可依據每個建立的 Session，依據其 QoS Class 等級，限制此 Session 的網路流量在頻道傳 輸之上傳及下載的頻寬使用量。當 Policy 完成編輯後，
PCRF 中 Domain Processor 會再次解析此 Policy 定義 的參數，並將此需求送往 PCEF 實際執行。
圖二十八: 動態編輯 QoS Class Policy
圖二十九為編輯 Domain Policy 之介面，藉由此 介面，管理者能依據傳送及接收端本身的 Domain Name 限制其頻寬使用量。
圖二十九: 動態編輯 Domain Policy
圖 三 十 為 Application Class Rule 之 結 構 ， 在 Application_class 標籤內，定義每個 Application 類別 能夠佔據的頻寬使用量，當此 Policy 被 PCRF 處理完 成並授權後，則顯示 Application Class Authorized 訊 息。
圖三十: Application Class Rule 結構
圖三十一為編輯 Application Class Policy 之介面，
藉 由 此 介 面 ， 管 理 者 可 根 據 正 在 傳 送 Session 之 Application Class(透過 SDP 訊息包含的 Media Type)，
並利用此 Policy Rule 限制其所佔據的頻寬使用量。
圖三十一: 動態編輯 Application Class Policy
圖三十二為 QoS Parameter Database 介面，藉由 此介面，管理者可隨時監控異質存取網路之整體網路 狀態，並將底層觀察並分析後的 QoS 資訊，例如:
Packet lost、Delay 和 Jitter 等參數呈現在管理介面上。
QoS Parameter Database 也提供 QoS 參數儲存之功能，
將資料送到後端資料庫存放(MySQL Database)，使本 計畫設計之 QoS 策略能夠依據分析後的資訊進行決 策。
圖三十二: QoS Parameter Database
圖三十三為 Charging Parameter Database 介面，
透過此介面管理者可以了解使用者帳戶之資訊，如使 用者帳戶之 Class、使用的服務、費率和帳戶的總額度 等資訊，並也將資料送到後端資料庫存放(MySQL Database)，便於了解使用者所使用的服務資源等訊 息。
圖三十三: Charging Parameter Database
圖三十四為透過 Monitor.o 功能模組，使 PCEF 可得知目前擷取到的 IP 流量，自動判斷是否超過管理 者所設定之最大頻寬，再透過 iptable 語法寫進程式，
即能成功控制防火牆 terminate 此用戶。
圖三十四: 判斷是否超過最大頻寬
圖三十五為監測流量，目前有五台電腦皆由 AP 指派虛擬 IP，可相互連結傳遞資料。當流量超過 QoS Class 頻寬限制需求，就會在 AP 執行頻寬流量的監控 程式，中斷超過頻寬的用戶 IP。因此中斷上述超過頻 寬的用戶，就無法連線至 AP。圖三十六為執行實作程 式。
圖三十五: 監測流量
圖三十六: 執行實作程式
基於實作 C3QM 中之 Cooperative 機制，建置 Cooperative 系統於各異質網路中，並運用於交換與儲 存 相 關 QoS 資 訊 。 圖 三 十 七 為 建 置 Java Jade Agent-based System 基本環境架構圖，建置於 PCEF 上 利用 ACL(Agent Commucication Language)進行訊息 交換。
圖三十七: Cooperative 架構
圖三十八為建置 C3QM 中之 Cooperative 機制，
於各異質網路之路由器中建置 Java Jade Agent-based System，以做為資料溝通之代理人，來傳送異質網路 中各 QoS 參數值，做為判斷 Handoff 機制之依據。
圖三十八: Java Jade Agent-based System
依據上述相關 Agent System 資訊，建置動態偵 測之 QoS Agent。在各異質網路上建置 QoS_pAgent，
用以收集相關 QoS 參數，並可互相傳遞相關資訊，已 達 Cooperative 功能，讓各異質網路之間訊息達到互相 通訊，且與建置於 HSS 中之 QoS_dbAgent 和 PCRF 之 QoS_learningAgent 做定時之互相溝通。如圖三十九 為各 QoS Agent 建置於 4G-IMS 整體架構示意圖。
圖三十九: QoS Agent 建置示意圖
圖四十為 QoS_pAgent 開始執行收集 QoS 資訊，
並定時傳遞資訊於 QoS_learningAgent 和各異質網路 路由器中之 QoS_pAgent，執行各異質網路之 QoS 資 訊交換，並傳遞於 QoS_dbAgent 做 HSS 資料更新，
且動態更新 QoS Parameter Database 介面之資料顯示，
而 QoS_learningAgent 執行 QoS 決策判斷。
圖四十: QoS_pAgnet 執行畫面
圖四十一為 QoS_dbAgent 接收資訊後之訊息，
透過 QoS_dbAgent 可定時與 HSS 進行相互溝通，QoS 資料定時更新，可讓使用者方便於得知目前 QoS 資 訊。
Netw ork
Ma in Co nta ine r Co
nta ine r 2
Co nta ine r 1 Plat
for m 1
Plat for m 2 Ma
in
Co
nta
ine
r
圖四十一: QoS_dbAgent 動態更新資訊
透過 Q-Learning 演算法，將其應用於 PCRF 中，
並建置 QoS_learningAgnet，執行 QoS 理想頻段之決策，
並依照 QoS_pAgent 定時傳遞更新資訊，也將立即更 新決策資訊，其相關決策結果，則可提供子計畫四進 行換手之依據。圖四十二為 QoS_learningAgent 執行畫 面。
圖四十二: QoS_learningAgent 執行畫面
由於 IMS 能夠提供廣泛的服務，單一的收費機 制將不是一個可接受的解決方案，因為它對用戶不提 供任何靈活性。計費系統需要能夠為每個服務提供最 適合的收費選擇，因此可透過 Online Charging Module 和 Offline Charging Module 讓用戶能夠選擇他們如何 支付他們的服務。圖四十三為增加計費模組之架構 圖。
圖四十三: Charging Module 建置示意圖
圖 四 十 四 為 Offline Charging Module 透 過 Diameter 從 Application Server 所接收到之計費資訊，
可收集包含用戶身份和網路服務使用記錄之資料。圖 四十五則為 Online Charging Module 透過 Diameter Ro 與 Application Server 溝通之計費資訊，可即時連結到 用戶的帳戶，當服務即時運行時有能力改變這個帳戶 的數值，屬於預付機制。
圖四十四: Offline Charging
圖四十五: Online Charging
圖四十六為計費系統運行時，Charging Module 所記錄之相關使用者服務資訊。管理者可根據此紀錄 得知使用者所使用的服務 Resource，並把此資訊傳送 到 Web 的管理介面上。
