行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
無線網狀存取網路支援品質服務保證之研究(2/2) 研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-084-
執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電子工程系
計 畫 主 持 人 ： 陳金蓮
計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理：許俊彥、陳建忠、游文吉 碩士班研究生-兼任助理：黃松柏、陳冠中、陳建翔
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 96 年 10 月 29 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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計畫類別：個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 95-2221-E-011-084
執行期限：94 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 計畫主持人：陳金蓮 教授
計畫參與人員：許俊彥 國立台灣科技大學 資訊工程研究所 陳建忠 國立台灣科技大學 電子工程研究所 游文吉 國立台灣科技大學 電子工程研究所 陳冠中 國立台灣科技大學 電子工程研究所 黃松柏 國立台灣科技大學 電子工程研究所 陳建翔 國立台灣科技大學 電子工程研究所
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：國立台灣科技大學 電子工程技術研究所 中 華 民 國 96 年 9 月 31 日
無線網狀存取網路支援服務品質保證之研究
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
無線網狀存取網路支援服務品質保證之研究
計畫編號：NSC 95-2221-E-011-084 執行期限：94 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日
主持人：陳金蓮 教授 國立台灣科技大學 電子工程研究所 計畫參與人員：許俊彥 國立台灣科技大學 資訊工程研究所 陳建忠 國立台灣科技大學 電子工程研究所 游文吉 國立台灣科技大學 電子工程研究所 陳冠中 國立台灣科技大學 電子工程研究所 陳建翔 國立台灣科技大學 電子工程研究所 黃松柏 國立台灣科技大學 電子工程研究所
一、中文摘要
目前無線都會網路之新興建置主要用途 定位於取代有線網路”最後一哩”之傳輸媒 介，為了研究及改善 802.16 Wireless MAN 網 路效能，提出預先定義閘道器及自定閘道器 兩套演算法，以基因演算法及繞徑演算法為 基礎來安排訊務路由，在節點天線上限與最 大延遲時間的限制下，求得最小建置成本之 網路拓樸。
在 802.16 網路環境下，我們針對竭力服 務(best effort)資料流提出競爭式頻寬要求提 送機制以有效改善效率，此方法透過掌握重 傳頻寬要求之節點數目與新傳送頻寬要求節 點 之 到 達 率 ， 動 態 計 算 並 調 整 競 爭 視 窗 (contention window)大小。本方法可以得到頻 寬要求流通量的近似最佳解，同時也可以將 頻寬要求流通量與延遲比例最大化。
本計畫提出跨層級(cross-layer)訊框傳送 排程法則。針對即時性資料流，提出條件性 的最早截止時間(earliest deadline first)傳送法 則，同時考慮通道狀況及資料可容許之最大 傳送延遲，在通道狀況良好情況下透過較高 速的調變技術傳送訊框，以降低封包的傳送 時間。針對非即時資料流，使用選擇性的額 度輪流(Deficit Round Robin)排程法則，封包 於通道情況較好的狀態下送出，而當通道狀 況較差時則不傳送，並且將可使用的額度儲
存，以利當通道處於較好情況時，透過額度 來調整可傳送之封包數量，此法則除了可增 加流通量外亦具備有長期的公平性。
在基地台傳輸範圍內建置固定式中繼站 可以大幅改善資料速率，吾人提出集中式和 非集中式遞交機制來處理行動台連線與遞交 問題，集中式遞交機制由基地台負責判斷連 線的選擇以及處理行動台的遞交問題。非集 中式遞交機制則可提高固定式中繼站的功 能，由固定式中繼站做部分排程和遞交的決 定。
當行動台距離基地台較遠或位於通訊 不良的涵蓋範圍時，可改用較強健的調變 技術，但資料率會因此降低，為了提供不 同服務等級的服務流不同的服務品質保 證，我們討論在 802.16j 都會網路的品質保 證議題，並且提出一個動態資源分配機 制，改善頻寬效率。
IEEE802.16e 無線都會網路中，電池能 量是行動台的重要資源，如何設計行動台 節能機制使其能有效延長連續工作時間是 非常重要的議題。我們設計動態能量管理 (Dynamic Energy Management, DEM) 機 制，此動態能量管理機制除了可以讓基地 台(Base Station, BS)或 MS 較容易掌握提出 休眠之時機外，亦可降低 MS 頻繁的狀態 切換進而達到節能的效果。
關鍵詞： IEEE 802.16、競爭視窗、竭力服務、
無線都會網路、網路拓樸、預先定義閘道器 演算法、最早截止時間、額度輪流、軟式遞 交、集中式遞交、非集中式遞交、中繼站轉 傳、休眠模式
Abstract
Mesh topology provides a robust structure for wireless metropolitan area backbone networks. Wireless mesh network allows for a rapid and cost-effective network deployment without the need of wired backhaul. Two algorithms, namely, the Pre-defined Gateway Set Algorithm (PGSA) and the Self-Constituted Gateway Algorithm (SCGA), are proposed to solve the topology arrangement problem in the above environment. The proposed mechanism adopts the genetic algorithm and a Dijkstra-based routing algorithm to obtain good results effectively.
Also, we study the contention window size assignment for bandwidth requests of BE traffics from subscriber stations. This problem is a key to the performance of BE services in IEEE 802.16 system. To improve the throughput of BE service, we propose a dynamic contention window size assignment scheme based on the number of backlogged nodes and the arrival rate of non-backlogged nodes. The scheme is proven to have near-optimal throughput and maximal ratio of throughput and delay for bandwidth request.
In order to improve the network throughput and to guarantee QoS for real-time traffics, we propose a cross-layer frame transmission scheduling scheme. For real-time traffics, data transmissions are scheduled based on the earliest-deadline-first policy and the channel status. Data packets are scheduled in current frame when the channel status is good. For non-real-time traffics, deficit round robin is used to provide long-term fairness. Channel status is also considered for non-real-time traffic transmissions.
In metropolitan area networks, the use of relay stations can improve the available data rate for MSs. We propose two handover schemes, one is centralized and the other is
decentralized, in the relay-mode network to solve the connection selection and handover problems.
When a mobile station with low signal-to-noise ratio(SNR) must use more robust modulation scheme to transmit packets at low data rate. To provide different Quality of Service(QoS) for different service flows, we discuss the Qos issue in the 802.16j MANs and propose an dynamic resource allocation scheme to improve bandwidth efficiency.
The energy of the batteries is an important resource for MS (Mobile Station) in IEEE 802.16e WMANs. It is a critically important issue to design the power saving mechanism, increasing the working time of MS. we program a DEM (Dynamic Energy Management) mechanism, which not only makes both BS (Base Station) and MS control the timing of sleeping but also decreases the numbers of the state switching time of the latter to be energy-efficient.
Keywords: IEEE 802.16, contention window, best effort service, metropolitan area network, network topology, pre-defined gateway set algorithm, earliest deadline first, Deficit Round-Robin, soft handover, centralized handover, decentralized handover, relay mode, mobile multi-hop relay, sleep mode
二、緣由與目的
IEEE 802.16 WirelessMAN 標準是解決 last mile/first mile 問 題 的 重 要 技 術 之 一 [1][2]。隨著 2004 年 10 月最新 IEEE 802.16 標準的公開，此種以基地台(Base Station, BS) 透過無線傳輸提供用戶端(Subscriber Station, SS)高速寬頻網路存取，支援點對多點，單點 對單點及多點對多點的雙向無線傳輸之技 術，預計將在未來新一代寬頻網路發展上扮 演極重要之角色。
本計畫的第一個研究主要考慮在 IEEE 802.16 之 無 線 網 狀 網 路 (wireless mesh network, WMN)架構下之拓樸安排問題。無線 網狀網路中之節點以無線方式相互連結，其 中 至 少 需 有 一 台 無 線 路 由 器 作 為 閘 道 器 (gateway)，以有線方式連結至外部網路，處
理大都會區域之進出口流量。然而，此段對 外的有線寬頻線路，往往因為必要的佈線工 程，而增加網路建設的時間與金錢成本。本 研 究 提 出 預 先 定 義 閘 道 器 (pre-defined gateway set algorithm, PGSA)及自定閘道器 (self-constituted gateway algorithm, SCGA) 兩 套演算法解決此問題，PGSA 首先在無線存 取系統之限制下，決定出此網狀網路所需之 最小閘道器數量，其次，在此閘道器數量限 制下，應當選擇哪些無線路由器作為閘道 器，建置聯外有線網路，以降低各節點之天 線使用總數；當 PGSA 的成本過高時，可利 用 SCGA 再增加計算時間的情形下減少成 本。由於此類多目標函數之拓樸設計問題屬 於 NP-complete 問題，因此我們以啟發式的 方法(heuristic techniques)，配合基因演算法 (genetic algorithm, GA)來解決此問題。
在 802.16 網路中，具有竭力服務資料流要 傳 送 的 用 戶 端 會 在 競 爭 式 請 求 機 會 (contention request opportunities) 區間嘗試送 出頻寬要求，以期基地台能在後續傳送的上 傳鏈路訊框中加以配置所需頻寬。若傳送頻 寬要求之動作因為碰撞而無法成功，在 IEEE 802.16 標準中規範了截短二進制指數退避 (truncated binary exponential backoff) 法則以 降低用戶端再次傳送的碰撞機會。基地台可 以適當的調整截短二進制指數退避法則中最 小及最大退避窗(backoff window)的數值，以 有效提升競爭式請求機會區間的流通量。本 計畫的第二個研究便提出了一種指派最佳退 避窗數值以得到競爭式請求機會區間最佳流 通量的機制。
現代都市內大樓林立，諸如多路徑干擾、
遮蔽等許多的效應相加之下，當使用者快速 移動時，通道的情況快速變化，本研究提出 一個兼顧實體層的通道情況與上層的服務品 質(QoS)要求的資料排程法則。本研究提出條 件性的最早截止時間(earliest deadline first ) 傳送法則與選擇性的額度輪流(Deficit Round Robin)法則，主要是利用實體層的通道情況 以及不同資料流的 QoS 要求進行排程，進而 改善因實體層通道情況不好時，所造成的低 流通量與較長的延遲時間。
涵蓋範圍廣大的都會網路存在部分涵蓋 範圍通訊不良或是距離基地台較遠的行動台 傳輸效能不彰的問題，除了增加基地台的數 量以縮小基地台的涵蓋範圍之外，在基地台 涵蓋範圍內適當位置佈建無線固定式中繼站 是較經濟的解決方案。但是建置無線固定式 中繼站之後，當行動台加入網路時基地台必 須考慮直接與基地台建立連線或與固定式中 繼站建立連線何者有較佳的傳輸效能；若行 動台會移動，還必須處理遞交的問題[17]。本 研究提出兩種在這個環境下避免行動台重新 建立連線的軟式遞交機制，依據遞交行為的 決定者不同區分為集中式遞交機制和非集中 式遞交機制，以遞交啟動的時機再各別區分 成連線建立階段和連線維持階段來深入探 討。
在 IEEE 802.16j 環境下，在點對多點模 式與中繼模式之間，行動台會選擇通道品質 較佳的路徑建立連線，並改用傳輸速率較高 的調變技術，以減少傳送資料的時間。若連 線通道品質不佳，則使用較強健的調變技 術。一般而言，傳送相同的資料量，使用越 強健的調變技術所需的傳送時間越長，針對 此問題，本計畫設計一套無線資源分配演算 法，可應用於允入控制(Call Admission Cont rol)與最佳的頻寬利用(Optimal Bandwidth U tilization)，以避免資源的浪費，並提高系統 流通量(Throughput)。
IEEE 802.16e 標準規範 MS 具移動性，為 了電池的節能，此標準以訊務類別區分，新 增了三種不同的休眠機制，針對非即時訊 務，例如 BE 與 NRT-VR 訊務，建議使用類 別一(Class 1)機制，其中 MS 操作模式主要可 區 分 為工 作模 式 (Active-Mode) 和 休 眠 模 式 (Sleep-Mode)，如圖 22 所示。休眠方式以指 數性成長的方式來增加休眠視窗大小，以最 後休眠視窗大小為上限，本計畫提出一套休 眠機制，我們稱之為動態能量管理 (Dynamic Energy Management, DEM) 機制，在 BS 端的 MAC 層新增了排程器(Scheduler)與休眠模式 控制器(Sleep Mode Controller )，進而達到節 能的效果。
三、結果與討論
首先針對 IEEE 802.16 之無線網狀網路架 構下之拓樸安排問題，我們以啟發式的方法 來解決，以降低此問題之計算時間複雜度。
第二項研究提出針對竭力服務資料流的動態 競爭視窗大小指定機制，藉由掌握重傳節點 數量及新傳送頻寬要求節點之到達率，以得 到競爭式請求機會區間最佳流通量的機制。
第三項研究提出條件性的最早截止時間傳送 法則與選擇性的額度輪流法則，利用實體層 的通道情況以及不同資料流的相對應服務品 質要求進行排程，兩種以達到低遺失率、高 流通量與長程公平性。第四項研究提出兩種 在具備中繼站之網路中，行動台的軟式遞交 機制，依據遞交行為決定者的不同分為集中 式遞交機制和非集中式遞交機制，以遞交啟 動的時機再各別區分成連線建立階段和連線 維持階段。以提高網路傳輸效能和減少傳送 延遲。
3.1 無線網狀網路架構下拓樸安排法則 之設計
輸入節點位置與流量需求之後後，進入第 一階段搜尋，此階段為測試此網路限制條件 下所需建設之閘道器最小數量；第二階段搜 尋則為搜尋最佳解階段，以第一部份所找出 之閘道器總數為基準，搜尋整體網路最小天 線使用量之拓樸型式。
拓樸初始化
我們假設網路中各節點之位置及其負載 已知，則各節點間距離亦可求得，並考慮採 用 IEEE 802.16 支 援 之 正 交 頻 率 多 工 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系統，其各種調變方式對應之傳輸頻 寬 與 接 收 端 所 要 求 之 最 低 訊 噪 比 (signal-to-noise ratio, SNR)如表 1 所示。考慮 適用於直視路徑(line-of-sight, LOS)之長距離 傳輸模型 Friis free space 方程式[3].
d L G G Pr Pt t r
2 2 2
4
(1)
其中P 為接收端接收功率、r P 為傳送端發t 送功率、d為傳送端與接收端之間距離、G 為t
傳送端天線增益、G 為接收端天線增益，而r
則為波長。且 ) log(
10 Noise
SNR Pr (2)
以上述 2 式考慮距離d與SNR關係可得：
10 SNR20
d (3)
由式 3 結果，可求得在各種調變方式下相 對應的涵蓋距離索引，記於表 1 末欄。Pt、Gt、
Gr及Noise皆假設為相同，在實際評估時則可
依據所選用之實體參數帶入，求得各調變方 式所對應之實際涵蓋距離。
3.1.1 PGSA 演算 第一階段─搜尋閘道器
本階段之主要目標在於測試此網路限制 條件下所需使用之閘道器最小數量。圖 1 為 本階段流程圖，首先將閘道器總數設定為 1，
並逐步增加閘道器的使用個數直至獲得可用 的 網 路 組 態 (feasible network configuration, FNC)。
第二階段─搜尋最佳拓樸
基於得出之閘道器總數，以基因演算法來 搜尋最佳拓樸，圖 1 中 A 點至 B 點所示為搜 尋最佳拓樸流程圖，經由反覆的搜尋直至連 續 50 個世代所得之最佳解品質皆相同時才結 束。我們分別測試各項參數之設定值對結果 之影響，如交配率P 、突變率c P ，菁英比率m P 等參數，決定以表 2 所列之設定值進行模e
擬，為此模擬之相關參數設定表，其中各項 參數值大小設定問題，本文以實際模擬結果 為依據來訂定。即：
Z successfulchromosome
fitness1/, , forforaafailedchromosome (4) 其中ε值很小，Z 是目標函數：
Min Z=
N
u
u u N
v
avu
1 1
)
( (5)
subject to R v u
, K a
v uv
(C1)
uv uv
uva t
c (C2)
v vu u v
u
uv t
t ) (1 )
( (C3)
u v
vu u u
u
u t
1 )
( (C4)
0
vu
uv a
a (C5)
D
du (C6)
其中：
R The set of all mesh routers.
N Number of mesh routers.
K The maximum number of antennas that can be installed in a wireless router.
auv The indicator function which is 1 if a direct wireless link is formed between mesh routers u and v, and 0 otherwise. auu=0.
λu The traffic demand of mesh router u.
tuv The traffic load offered by mesh routers u to v.
tuv0, tuu=0.
cuv Link capacity of the wireless link between mesh routers u and v. cuv0, cuu=0
δu The indicator function which is 1 if mesh router u is a gateway and 0 otherwise.
σu The cost on setting up mesh router u as a gateway.
D The maximum tolerable delay du The maximum delay of mesh router u
3.1.2 SCGA 演算法
SCGA 及 PGSA 兩演算法的差異在於 SCGA 的閘道器數目不是預先得知，而是依 據需求動態設定。圖 2 為 SCGA 的流程圖，
SCGA 與 PGSA 使用相同的基因演算法，但 SCGA 使用較簡單的連續染色體結構，當無 法為資料流發現適當的路徑時則將該資料流 之來源路由器設為閘道器，直到所有資料流 都被滿足為止。
3.1.3 模擬結果
本研究設定一長與寬為 30km x 20km 相 對距離之區域，在此區域隨機安置 50 個節 點，並反覆測試 60 種不同的初始節點位置以 觀察演算法的平均表現，節點最大天線上限 數為 4，三種最大容許延遲：10, 30 and 50ms，
閘道器的成本分為四個範圍：[1, 20], [20, 100], [100, 200] and [200, 400]，觀察 PGSA 及 SCGA 兩演算法依不同的成本範圍所產生的 影響。
表 3 至表 5 呈現出使用不同繞徑方式的結 果，在表 3 及表 4 顯示的網路成本，使用最 少跳躍數方法比使用最小封包延遲方法有較 高的網路成本，這是因為最少跳躍數方法有 較多的閘道器；表 5 中，使用最少跳躍數方
法有較低的路徑長度，我們注意到通道的速 率隨距離的增加而減少，使用最少跳躍數方 法的平均路徑長度較小，由於每一閘道器上 天線數目的限制，要滿足所有交通量(traffic) 的要求必需要有較多的閘道器被建立，這相 對的也增加了網路上的成本。
一般而言，族群越大所花費的計算量越 大，即所需計算時間愈長，但能得到較佳的 解。我們使用四種流量需求等級，在不同的 等級下，以均勻分布隨機設定節點之流量需 求。我們比較不同族群大小來比較所得解之 品質差異，如圖 5 所示，為採用最短路徑演 算法(SPA)時之整體網路成本的差異比較。如 圖 6 所示，當族群大小由 100 增加至 300 時，
發現所得解略有改善，但當族群大小由 300 增加至 500 時，解的品質相差無幾，皆可獲 得相當好的解，因此本研究選擇族群大小為 500。我們考慮 SPA 與最小成本演算法(MCA) 所得解與需花費的世代數之差異，其中成本 的計算是以鏈結的頻寬的倒數來設定。如圖 7 所示，可發現 MCA 在各種情況下皆花費較 少成本，主要原因在於 SPA 優先考慮最短 hop 數 之 路 徑 ， 其 平 均 每 條 路 徑 之 頻 寬 小 於 MCA，故需使用較多路徑以滿足各節點之流 量需求，故 MCA 在各種流量需求下皆優於 SPA。MCA 花費世代數亦少於 SPA，如圖 5 所示，為兩種繞徑方法在不同流量需求下所 花費之世代數比較。由於 MCA 以最大頻寬 路徑為優先考量，節點處理順序不同對最終 結果的影響較小，故其收斂速度較快。SPA 中所有節點皆以最短路徑為優先，因此當染 色體不同使得節點處理先後不同時，所得之 路徑安排差異較大，因此收斂較慢。
此外，SPA 在較重的流量需求下，花費的 總世代數略為降低，乃因較重的流量需求所 使用之閘道器總數較多，在第一階段測試閘 道器總數之最小值時，能較快找到解，而花 費較少的世代數。而 MCA 世代數卻反隨著 流量需求上升而增加，主要可歸因於流量需 求重時，需使用多條路徑才能滿足流量需 求，故 MCA 對於節點處理順序不同對最終 結果的影響較小之優勢將隨著流量需求的加 重而逐漸被抵銷。這個部分的研究成果已發
ai i n M a n M i
a i n P P
P( , ) (1 ) 表於[4]中。
3.2 竭力服務資料流之動態競爭視窗大 小指定機制之設計
本研究針對竭力服務資料流提出了動態 競爭視窗指定機制。IEEE 802.16 網路中用戶 的竭力服務資料流傳送要透過基地台提供之 競爭式請求機會，以競爭方式對基地台送出 頻寬要求。圖 6 是 IEEE 802.16 媒體存取控 制層的分時多工(TDM)訊框架構，提供競爭 存取的請求機會欄位位於上傳鏈路子訊框 中。如果某用戶於請求機會中競爭成功，在 接下來的數個上傳鏈路訊框中，該用戶便會 收到頻寬配置；反之若在接下來數個上傳鏈 路訊框之後仍未收到頻寬配置，則表示競爭 失 敗 ， 用 戶 將 執 行 截 短 二 進 制 指 數 退 避 (truncated binary exponential backoff, TBEB)法 則 後，再次於競爭式請求機會區間送出頻寬要 求，藉以降低用戶端再次傳送的碰撞機會。
用戶需要等候數個上傳鏈路訊框之後才能確 知頻寬要求是否傳送成功，此段等候時間稱 為 競 爭 保 留 逾 時 (contention reservation timeout)。基地台可對截短二進制指數退避法 則的參數例如初始及最大退避窗加以設定，
也可將初始及最大退避窗之值設成相同以得 到最佳頻道流通量。因此競爭視窗的大小影 響到 IEEE 802.16 網路中竭力服務資料流的 傳輸效能。
3.2.1 競爭視窗大小指定之一般解及特殊 解分析
基於了解如何設定競爭視窗大小使得頻 寬要求輸出率可以最佳化，我們將具有竭力 服務資料流的用戶端分成兩類，分別是非碰 撞 用 戶 (non-backlogged nodes) 及 碰 撞 用 戶 (backlogged node)。碰撞用戶即是在先前的頻 寬要求傳送上失敗，需要重傳頻寬要求；非 碰撞用戶則是有新的竭力服務資料流到達，
將要進行頻寬要求傳送。令 Pa是一個非碰撞 用戶在一個要求機會(request opportunity)中 會送出頻寬要求的機率，Pr 則是一個碰撞用 戶在一個要求機會中會送出頻寬要求的機 率。依據 IEEE 802.16 標準之規範，若不考慮
競爭保留逾時造成之延遲，當競爭視窗大小 為 K 時，Pr= 1/K。假設系統中具有竭力服務 資料流的用戶端總數為 M，其中有 N 個為碰 撞用戶。令 Pa(i,n)是 i 個非碰撞用戶在同一個 請求機會中傳送頻寬要求的機率，
(6)
令 Pa(i,n) 是 i 個碰撞用戶在同一個請求機會 中傳送頻寬要求的機率，
(7)
經由推導並且設定 Pa =Pr以簡化分析先取得 特殊解，得知頻寬要求的平均重傳次數為
1 / ( M Pa(1 - Pa)M - 1)
而重傳造成的平均延遲為
K / (M Pa(1 - Pa)M - 1)
因為流通率跟延遲互相影響，我們定義效能 評估函式(C)=流通量/延遲[5]，並且將目標放 在求得最大之效能評估函式
C = [M Pa(1 - Pa)M - 1]2/ K (8) 以 C 對 K 來微分並且設為 0，
dC/dK = 0 (9)
得到在 K = 2M-1 之下C可以有最佳解。假設
基地台擁有足夠頻寬配置給成功提出頻寬要 求的用戶端，那麼將頻寬要求之效能最佳 化，即是對竭力服務資料流之流通量最佳化。
接著我們針對最佳化競爭視窗大小的一 般解進行分析。前述之特殊解是基於 Pa =Pr
之假設條件，同時不考慮標準中定義之競爭 保留逾時，在一般解分析中應該移除這兩項 限制。但是要找到一個實際機率分佈在開始 的一段時間(競爭保留逾時)中機率為 0，接下 來 K 的時間單位中傳送機率為 1/K 有其困難 點。從[6]可以知道，在一個多重存取時槽系 統中，若同時考慮平均流通量與延遲如同前 述定義之效能評估函式，則通道效率可不考 慮實際重傳機率分佈，而是以系統平均傳送 延遲來評估。換句話說假設 X 為用戶因為競 爭保留逾時所要等候的時間，K 為競爭視窗 的大小，平均等候時間為 X+(K+1)/2，則重傳 的機率 Pr可以用 1/( X+(K+1)/2)來取代不可知 的實際重傳機率分佈。經過推導我們可以得 到最佳化競爭視窗大小的一般解如下：
(10)
ri i n r n i
r i n P P
P(, ) (1 )
- r X
M P P
K
a
2 X 1 M , 0
2 X 1 M , 1 ) (
2 ,
只要基地台掌握非碰撞用戶之頻寬要求 到達率，以及碰撞用戶的數量，便可使用上 述一般解之通式求出最佳化競爭視窗之大 小。但在 IEEE 802.16 網路中，基地台無法得 知現有碰撞用戶之數量，因此我們調整 Grant 管理次標頭(subheader) ，在這個兩個 bytes 長度的次標頭中加入兩個位元代表碰撞指示 (Collision Indicator, CI)，關於次標頭在訊框中 的位置如圖 7 所示。用戶端可以透過設定 Grant 管理次標頭中的 CI 欄位的值來通知基 地台目前狀況，CI 欄位定義如下：
CI = 00 : 預設值, 無需任何處理 CI = 01 : 表示發生第一次碰撞
CI = 10 or 11 : 表示在碰撞後成功傳送出 頻寬要求
如此一來基地台便可以統計現有碰撞用 戶的數量，進一步動態調整競爭視窗的大小。
3.2.2 模擬結果
圖 8 呈現頻寬要求流通量結果，圖中流通 量已透過數值最佳解正常化(即流通量/最佳 數值解)，如圖所示，透過我們所提出之動態 調整競爭視窗大小之機制，很明顯的勝過使 用 截 短 二 進 制 指 數 退 避 (truncated binary exponential backoff, TBEB)法則，例如在到達率為 0.0035 有 21.3%的改善。如圖 9 所示，K 值是 由我們所提出之機制計算得到，為了驗證藉 由所提機制計算出之 K 值可以有最佳效能評 估函式值，模擬中分別以 0.5K 至 0.9K 的值 來設定競爭視窗的大小，由此可以驗證所提 出之機制可以得到最佳解。
3.3 跨層支援服務品質保證之訊框排程 機制之研究
媒體存取層與實體層的設計影響系統流 通量甚鉅，欲提高系統流通量需做跨層的通 盤考量，本研究提出跨層的排程機制，考慮 媒體存取層資料率與實體層通道狀況的限 制，以提升系統流通量并減少封包的延遲時 間。
3.3.1 參數定義:
(1). 通 道 狀 況 因 素 [13](Channel State Factor, CSF)
當 CSF 值愈大時代表目前的通道狀況愈 好，最小值為 0 代表通道處於 deep fading 的 情況。
(2).封包最大等待訊框次數
定義一個封包從送交到完成傳送最多能 夠等待的訊框數[14]。
3.3.2 五種資料流排程之描述
IEEE 802.16e 無線網路支援的資料流可分 為五種，不同資料流的排程描述如下：
UGS:屬於優先權最高的資料流。
ERT-VR:屬於第二優先權的資料流，此資 料流最主要的限制為最大延遲時間限制，此 類的資料流我們是利用封包最大等待時間訊 框 次 數 與 一 個 通 道 門 檻 值 來 進 行 排 程 [15][16]，假設一個封包最大的等待次數為 n，代表此封包最多能夠等待 n 個訊框的時間 就必須將封包傳送出封包，否則即算是無效 的封包，基地台使用前次通訊的情況來預測 本次傳送時每個使用者的 CSF 值，接著檢查 有 ERT-VR 的使用者，有那些使用者的 CSF 是超過通道門檻值且封包的等待次數未超過 封包最大的等待次數，即能傳送 ERT-VR 封 包，如果使用者的 CSF 是未超過通道門檻值 且封包的等待次數未超過封包最大的等待次 數，則可等待到下個時間訊框傳送。如此一 直等到封包最大的等待次數時，無論 CSF 是 否大於通道門檻都必須傳送，但如果當時的 通道是處 deep fading 時(CSF=0)，則直接將封 包丟棄。
RT-VR: 屬於第三優先權的資料流，與 ERT-VR 一樣是屬於即時的資料流，有最大延 遲時間限制，主要差別是所代表的應用程式 不同，排程法則與 ERT-VR 相同。
NRT-VR: 屬於第四優先權的資料流，此 種資料流的封包沒有時間上的限制，在此類 的資料流所要改善的是增加流通量與減少延 遲，因此考慮重點在於如何使用選擇性的輪 流選擇通道狀況因素以增加流通量與減少因 重送所造成的延遲，方法為在剩下的可傳送 時間訊框中，依據誰有最高的 CSF 且高於通
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道門檻值，將可優先被服務，低於通道門檻 值且未被服務的使用者記錄起來，等到 CSF 高於通道門檻值再被服務，因此每個資料流 的用戶，都是在通道良好時才被服務，如此 將減少因通道不好而造成重送的機會，增加 流通量與減少延遲。
BE: 屬於優先權最低的資料流，此資料流 無任何服務品質的保證，所以只能使用前四 種資料流服務完時剩下來的可傳送時間，服 務的法則與 NRT-VR 相同。
3.3.3 模擬結果
依據是否考量通道狀況，模擬可分為最早 截止時間(Earliest Deadline First, EDF )傳送 法 則 與 選 擇 性 的 額 度 輪 流 (Deficit Round Robin, DRR)法則，通道已知最早截止時間 (Channel-Aware Earliest Deadline First, CAEDF )傳送法則與通道已知選擇性的額度 輪 流 (Channel-Aware Deficit Round Robin, CADRR)法則。如圖 10 所示，我們所提出的 CAEDF/CADRR 機制可提高約 50%的輸出 能力；圖 11 中，呈現出我們的機制對 BE 及 NRT-VR 訊務具有公平性。
3.4 具備中繼站之 IEEE 802.16 無線網路 中軟式遞交機制之研究
如 圖 12 所 示 ， 分 成 三 種 連 線 形 式 (connection type)來說明兩種遞交機制的差 異。第一種連線形式為基地台直接和行動台 建立連線，也就是原本 IEEE 802.16 所定義的 點對多點傳輸模式(PMP, Point to multipoint mode)。第二種連線形式為基地台透過固定式 中繼站將資料傳遞給行動台的兩次跳躍連線 (two-hop connection)轉傳模式(relay mode)。
第三種連線形式以支援軟式遞交為考量，基 地台同時將資料傳遞給兩個固定式中繼站，
固定式中繼站再分別將資料傳遞給行動台的 雙重路徑兩次跳躍連線(double-path two-hop connection)轉傳模式。
3.4.1 集中式遞交機制
在集中式遞交機制中，三種連線形式轉換 的決定權都在基地台，基地台測量與行動台 的訊噪比，決定行動台的傳輸模式。若目的 地是選擇轉傳模式的行動台，基地台用群播 (multicast) 的 方 式 把 封 包 傳 給 固 定 式 中 繼 站，固定式中繼站再轉傳封包給目的地行動
台。此外集中式機制的好處是由基地台做傳 輸訊框排程，可以確保封包的 QoS。集中式 遞交機制運作方式分成行動台加入網路時期 的連線建立階段和行動台建立連線後的連線 維持階段。
連線建立階段
當行動台要加入 IEEE 802.16 網路時，必 須與基地台進行初始測距程序(initial ranging procedure)，本研究參考[18]改良這個程序。
流程如圖 13 所示，當基地台所測得與行動台 的訊噪比時，固定式中繼站也同時測得其與 行動台的訊噪比，再空出一段時間讓固定式 中繼站回傳所測得的數值，基地台收集這些 數值之後，判斷此行動台適用的傳輸模式。
若 是 行 動 台 適 用 轉 傳 模 式 ， 基 地 台 送 出 RNG-RSP 信令通知行動台使用第二種連線 形式或是第三種連線形式。
連線維持階段
當行動台依據標準程序發出週期性測距 或行動台使用第一種連線形式傳送封包時，
基地台可測得到基地台與行動台的訊噪比，
判斷行動台是否應轉換傳輸模式。或者行動 台主動發出遞交的請求訊號以提高訊噪比。
3.4.2 非集中式遞交機制
非集中式遞交機制運作方式分成行動台 加入網路時期的連線建立階段和行動台建立 連線後的連線維持階段。
連線建立階段
當行動台要加入 IEEE 802.16 網路時，基 地台從初始測距程序所測得其與行動台的訊 號訊噪比，判斷此行動台適用之傳輸模式。
若是基地台選用轉傳模式，基地台會用廣播 的方式將封包傳給所有固定式中繼站，當固 定式中繼站收到基地台廣播的封包後會比對 目的地行動台是否位在自己的服務範圍中，
若是則向基地台提出傳送這些封包所需的頻 寬要求，再各自運用基地台分配的頻寬依照 QoS 的要求排程。
連線維持階段
當行動台依據標準程序發出週期性測距 或行動台上傳封包時，基地台判斷此行動台 適用之傳輸模式。集中式遞交機制的訊框架 構如圖 14 所示，參考[19][20]，由基地台集 中排程可以把使用轉傳模式行動台的封包排
程在同一個下傳子訊框之內傳送，因此延遲 小於一個訊框時間。非集中式遞交機制如圖 15 所示，基地台把使用轉傳模式行動台的封 包下傳給固定式中繼站之後，固定式中繼站 可在同一個上傳子訊框向基地台要求頻寬配 置，當基地台在接下來的下傳子訊框配置給 固定式中繼站頻寬之後，固定式中繼站才可 順利將封包轉傳給行動站，所以非集中式遞 交機制的延遲時間為一個半訊框時間以上。
分析使用各種模式傳送封包所需時間如圖 14 所示。
3.5 動態資源分配與允入控制之研究 在 IEEE802.16j 無線網路中，本研究提出 的資源的分配是以動態調整頻寬的方式，當 系統總頻寬充足時，可分配給每個連線最大 支援訊務速率的頻寬，但是當系統總頻寬不 足時，將以通道品質作為考量，在提供每個 連線的 QoS 保證下調整每個連線所分配到的 頻寬。因此每個連線所分配到的資源至少須 滿足最小預留訊務速率。
3.5.1 CABA 法則之系統架構
圖 17 與圖 18 為使用 CABA 法則之系統 架構圖，其中包含了基地台與行動台四個部 份外，在固定式中繼站的 MAC 層也增加了 A SNRC。四個區塊的功能與操作流程，以及系 統操作時使用之相關參數。
CABA：主要的工作是利用通道品質判斷 需要調整頻寬的連線。
ASNRC：負責計算行動台長時間無線通道 的平均通道品質，作為 MAC 層通道品質的 資訊。在中繼模式中我們假設固定式中繼站 能從基地台傳送的 UL-MAP 訊息區分接收到 的訊號是由那個行動台所傳送，因此 ASNRC 能個別計算每個行動台的訊號強度。
CAC：控制系統建立連線的數量，確保每 一個連線都能獲得 QoS 保證。
OBU：主要的功能是隨時根據行動台的通 道品質調整連線所能分配的頻寬。
3.5.2 允入控制
CABA-CAC 法則利用通道品質作為調整 的依據，可以在建立連線時篩選出通道品質
太差的連線拒絕建立，以避免使用強健調變 技術作為傳輸，因此 CABA-CAC 法則會拒絕 建立平均訊號強度位於 QPSK 調變技術的連 線。
3.5.3 最佳化頻寬使用率
CABA-OBU 法則根據無線通道的通道 品質是隨時變動的特性，對連線所分配的頻 寬作動態調整。因此主動的管理頻寬機制將 有助於提升頻寬的使用效率，使得系統獲得 最佳化的頻寬使用率。基地台從 ASNRC 獲 得所有行動台的平均訊號強度資訊後，將依 照允入控制目前使用 CABA 法則調整連線所 分配的頻寬。
3.5.4 模擬結果
在 文 獻 [21] 提 出 的 最 小 預 留 資 源 法 (Minimum Reserved, MR)、文獻[22]提出的動 態預留法(Dynamic Reserved, DR)、單獨使用 CABA-CAC 法則與同時使用 CABA-CAC 法 則 和 CABA-OBU 法 則 ， 簡 稱 為 CABA-CAC-OBU 法則。
系統的連線阻塞機率如圖 19 所示，發現 CABA-CAC 法的連線阻塞機率低於 MR 法與 DR 法。當使用者數量到達 70 個時，連線阻 塞機率分別從 MR 法與 DR 法的 0.017 降低至 CABA-CAC 法的 0.012，連線阻塞機率降低 了 29.4%。而使用 CABA-CAC-OBU 法，連 線阻塞機率為 0.013，連線阻塞機率近似使用 CABA-CAC 法 ， 與 DR 法 相 較 ， CABA-CAC-OBU 法降低了 23.5%的連線阻 塞機率。
平均頻寬使用率如圖 20 所示，當知使用 者數量愈多，頻寬使用率會愈高。只分配最 小預留訊務速率的 MR 法會造成許多頻寬的 浪費，當使用者數量到達 40 後，因為許多獲 得保證的資料在封包排程時無法傳送完畢，
造成剩餘許多頻寬卻無法建立連線，使得頻 寬使用率無法增加。而 DR 法分配最大持續 訊務速率，並且具有動態調整 nrtPS 的頻寬，
改善了 MR 法頻寬使用率低的問題。使用本 文提出的 CABA-CAC 法具有調整三種服務 等級的頻寬，而且依通道的調整可降低封包 排程時無法傳送的情況，能更有效率地使用
頻寬。比較結果後發現，使用者數量達到 70 個後，頻寬使用率從 DR 法的 56.9%上升至 8 3%，提升 26.1%的頻寬使用率。使用 CABA- CAC-OBU 法，頻寬使用率從 DR 法的 56.9%
上升至 92.2%，提升 35.3%的頻寬使用率。
平均系統流通量如圖 21 所示，MR 法與 DR 法是不考慮通道品質的方法，因此使用者 的數量與使用者的通道品質無關，使用者的 增加只會使得額外負擔增加。而 CABA-CAC 法是考慮通道品質的方法，當使用者數量超 過 50 個後，拒絕平均訊號強度是 QPSK 調變 技術的連線建立，減少系統內的連線使用強 健的調變技術，因此提升了系統流通量。比 較結果後發現，使用者數量達到 70 個後，系 統流通量從 DR 法的 10.5Mbps 提升至 12.1M bps，系統流通量提升 15.2%。使用 CABA-C AC-OBU 法，系統流通量更提升至 12.9Mbp s，總共提升了 22.9%的系統流通量。
3.6 動態休眠管理機制之研究
當 MS 欲進入休眠模式之前，MS 必須傳 送 MOB-SLP-REQ 訊息給 BS，並且設定休眠 參數。當 BS 收到 MS 的休眠請求訊息時，它 會傳送 MOB-SLP-RSP 訊息給 MS。除了 MS 可以向 BS 提出休眠請求外，BS 亦可主動傳 送 MOB-SLP-RSP 訊息給 MS。當 MS 收到 BS 傳送之 MOB-SLP-RSP 訊息之後，MS 會 根據該訊息之休眠參數進入休眠模式。
DEM之系統架構如圖23所示，其中包含 BS之MAC層與實體層，MS之實體層、MAC 層與傳輸層。
排程器(Scheduler)
為了延長 MS 的連續工作時間，我們的休 眠機制利用 BS 將從伺服器來到 BS 且欲傳給 MS 的非即時封包聚集起來，等到排程時間結 束後再一次傳送給 MS。
休眠模式控制器(Sleep Mode Controller ) 此控制器在BS與MS有不同的功能。MS 端的休眠控制器被觸發時，MS傳送休眠請求 訊息向BS提出休眠請求。BS端的休眠控制器 被觸發時表示MS已接收完畢該次之資料量 或是接收到MS的休眠請求訊息，因此BS會傳 送休眠訊息給MS並決定適當的休眠參數使
得MS達到節能效果。
與封包倒數器(Packet Counter)
執 行 封 包 倒 數 器 時 所 可 能 發 生 四 種 狀 況，分別是檔案最初在傳輸的狀態、檔案的 傳輸過程但估測之壅塞視窗大小未超過與超 過接收視窗大小的狀態以及檔案全部傳送完 畢的狀態，對於我們所設計的封包倒數器有 不同的影響。
3.6.1 休眠參數設定
休眠參數設定主要分為 MS 之休眠方式 與休眠時間之設定。我們首先介紹 MS 的休 眠方式。由於 BS 已將從伺服器傳送到佇列 中欲傳給該 MS 的封包先聚集起來，等到排 程時間結束後再一次傳送給 MS，因此 BS 必須估測下次的排程時間進而設定 MS 的休 眠參數。我們所設計的休眠方式不採用 Class 1 機制之休眠方式，亦即 MS 不以倍增之方 式增加休眠時間。BS 每次設定 MS 休眠參數 之前會統計之前排程平均時間並且計算出 排程時間標準差，MS 啟動休眠後第一次的 休眠時間以平均排程時間當作參考依據，第 二次之後的休眠時間則會以計算出之排程 時間標準差為主，如圖 24 所示。
接著我們探討如何設定 MS 的休眠時 間。假設目前網路中有四條非即時訊務連 線，其中 MSA 正在下載非即時檔案，其它 MSs 除了下載非即時檔案外亦使用即時訊 務，因此不適合啟動休眠模式，亦只有 MSA
啟動休眠模式。在下段說明中，我們以時間 發生的先後順序，介紹 MSA啟動休眠後對於 排程的影響及 BS 如何定義 MS 的休眠參數，
如圖 25 所示。此圖有三個時間軸，最上面為 沒有任何 MS 啟動休眠時 BS 排程狀況，中間 為 MSA啟動休眠後 BS 的排程狀況，最下面 為 MSA的狀態。
當 MSD接收完該次 BS 所傳送的資料量 後，BS 會統計 MSA先前所有排程時間之平 均值與標準差。其中 MSA之排程時間定義為 每次 MSD接收完 BS 該次傳送之最後一個 封包的間隔時間。當 MSD接收完 BS 傳送之 資料量後，BS 會開始傳送封包給 MSA，當 MSA接收完 BS 該次傳送的資料量後，會在 適當的時機進入休眠，並且由 BS 決定該次
的休眠時間與方式。第一次的休眠時間以 BS 計算出平均的排程時間扣除該次 MSA接收 封包、傳送休眠請求訊息以及排程延遲時間 (排程時間後因休眠逾期所花費的時間)，進 而計算出 MSA可休眠的時間。由於該次休眠 時間預估過頭，因此 BS 無法在 MSA處於休 眠狀態時將封包傳送給 MSA。為了不浪費頻 寬，BS 會先將 MSB的封包先傳送，直到 MSA
之休眠狀態結束後再傳送封包給 MSA。此 外，當 MSD 接收完 BS 該次傳送之資料量 時，BS 會再統計 MSA前面 i 次之平均排程 時間與排程時間標準差。當 MSA切換至工作 模式並接收完該次 BS 所傳送之資料量時，
BS 主動通知 MSA切換至休眠模式並給予休 眠參數。當 MSA結束第一次休眠結束後，
BS 沒有資料要傳送給 MSA，因此 BS 告知 MSA可再進行第二次的休眠。為了降低排程 延遲，該次之後之休眠時間設定以 BS 所計 算出排程時間標準差為主，週期性休眠而不 以倍增之方式休眠，相關參數計算如式子 11~14 所示。其中 EAST(Estimated Average Schedule Time)為 BS 統計之平均排程時間，
ESDST(Estimated Standard Deviation Schedule Time)為 BS 統計之排程時間標準 差，Si,k為第 i-1 次排程區間內第 k 次的休眠 時間，而 TA為 BS 預計傳送封包給 MSA之 排程時間開始到 MS 啟動休眠所花費的時 間。
3.6.2 模擬結果
圖 26 所示，非即時訊務量愈多，狀態切 換率愈低，原因在於 MS 甦醒率較低所致。
當甦醒率愈低，Class 1 機制的休眠時間較有 機會增到較大訊框大小，例如 256 個訊框大 小的休眠時間約為 1 秒鐘，進而降低狀態切 換率。此外， DEM 機制之狀態切換率在不 同之非即時訊務量下皆小於 Class 1 機制。
在不同的非即時訊務量下，比較 Class 1 機制與 DEM 機制之平均一個檔案耗電量，如 圖 27 所示。當非即時訊務量愈多，平均一個 檔案的耗電量就愈大。原因在於訊務量愈多 時，MS 接收完一個檔案需要花費較多的時 間，因此 MS 需要花費較多的能量。不同的 非即時訊務量，DEM 機制平均耗電量均小於 Class 1 機制，
四、計畫成果自評
本計畫的第一項研究 ，提出 PGSA 及 SCGA 兩種演算法，可有效作為實際建置無 線都會網路拓樸之依據，其中採用兩種繞徑 演算法並比較其差異，可作為日後相關研究 之參考。我們更提出適用於此類問題之正位 元數固定基因演算法。現今無線都會網路之 寬頻接入技術引起國際上高度重視與關切，
國內如工研院電通所等機構目前亦積極爭取 參與相關標準之制定。PGSA 演算法之設計 理念不僅可適用於無線都會網路，未來更可 擴充運用於其他具有相關特性之廣泛議題。
本計畫的第二項研究提出了在 802.16 網 路環境下，對於竭力服務資料流在競爭式頻 寬要求提送機制下有效改善效率的方法，為 了 評 估 效 能 我 們 也 定 義 了 效 能 評 估 函 式 (C)。透過掌握碰撞節點之數目與非碰撞節點 傳送頻寬之到達率，動態計算及調整競爭視 窗大小，本方法可以得到頻寬要求流通量的 近似最佳解，同時也可以將頻寬要求流通量 與延遲比例最大化。
本計畫的第三項研究對於系統的改善，除 了改善 ERT-VR 與 RT-VR 資料流的遺失率(無 效的封包/總產生的封包)也確保 NRT-VR 與 BE 資料流的公平性，增加其流通量。
在本計畫的第四項研究中，集中式遞交機 制可以用基地台來確保行動台的連線品質並 且提高系統效能，然而當基地台要進行遞交 時，需要傳送許多的信令，會造成較大的延 遲。非集中式遞交機制可提高系統效能而且 減少信令的傳送，除了會有重複傳送的問題 之外，由於訊框架構的因素產生封包的延遲 較長的問題。
在本計畫的第五項研究中，利用無線通道 的訊號強弱調整連線所分配的頻寬，在滿足
