行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
動態群組式多媒體無線行動通訊網路資源預約機制
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC91-2213-E-011-036-
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子工程系
計畫主持人： 陳省隆
報告類型： 精簡報告
報告附件： 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 92 年 10 月 22 日
1
A Dynamic Grouping Resource Reservation Scheme for Multimedia Mobile Wireless Communications Networks
計畫編號：NSC 91-2213-E-011-036 執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：陳省隆 教授 國立台灣科技大學 電子工程系 計畫參與人員：張朝陽、李建興、鄭功佑
一、中文摘要
多媒體資訊的應用在下一代的無線行 動通訊網路上將成為相當重要的服務，因 為使用者的移動性和頻寬資源的不足，使 得多媒體資訊的服務品質保證變得相當複 雜，所以在非常有限的頻寬資源中，必須 用最有效率的管理方法來保證多媒體資訊 的服務品質。研究計劃中，針對下一代的 無線行動通訊網路提出一個動態群組式資 源預約機制來保證服務的品質。經由模擬 實驗的結果證明計劃所提出的方法，不論 是行動主機的連線阻塞率、連線中斷率、
頻寬使用率都可獲得明顯的改善。
關鍵詞：多媒體資訊、無線行動通訊網路、
服務品質、頻寬使用率、連線阻塞 率、連線中斷率。
Abstract
Multimedia applications will become an important service in the next generation mobile wireless networks. Provision of quality of service (QoS) guarantees tends to become complicated due to user mobility and insufficient resource in the mobile wireless communications networks. Therefore, the scarce resource of mobile wireless networks should be managed in more efficient manner.
In this project, we propose a dynamic grouping resource reservation scheme to support quality of service guarantees in the next generation wireless communications networks. The simulation results show that dynamic grouping resource reservation
scheme provides small connection-blocking rate, connection-dropping rate and achieves high bandwidth utilization.
Keywords: Multimedia, mobile wireless networks, quality of service,
bandwidth utilization, connection-blocking rate, connection-dropping rate.
二、緣由與目的
多媒體資訊大部分具有即時性和連續 性，且需求的頻寬資源較大，在蜂巢式的 無線行動通訊網路環境中(如圖一所示)，對 於一個正在移動中的行動主機使用者而 言，當行動主機從一個基地台的通訊範圍 移動到另一個基地台的通訊範圍時，稱為 交接（Handoff）的動作，可能因為另一個 基地台中的行動主機使用者過多，造成壅 塞的情形，而無法提供行動主機使用者需 求的頻寬資源，造成行動主機與另一個基 地 台 間 的 連 線 失 敗 ， 稱 為 連 線 中 斷
（Connection Dropped），此時因為行動主 機的使用者正在傳送或接收重要的資料訊 息，交接動作時所產生的連線中斷，對使 用者所造成的損失及影響甚大。對於新建 立連線的行動主機使用者而言，亦可能在 開始建立連線時，因為基地台過度的壅 塞，造成頻寬資源的不足，無法在行動主 機與基地台間的建立連線，稱為連線阻塞
（Connection Blocked），因為行動主機的 使用者尚未開始傳送或接收資料訊息，對 使用者的損失及影響較小。
圖一：蜂巢式架構圖
基於上述的考量，多媒體資訊著重的 服務品質將受到嚴重的影響，因此行動通 訊的系統業者若要提昇服務及產業的競爭 力，就要從這兩方面著手改進：如何降低 基地台連線中斷率以及連線阻塞率，將對 多媒體資訊服務的品質保證提供相當程度 的貢獻，其中降低連線中斷率是首要的任 務，而連線阻塞率則應該維持在可接受的 範圍內，另一個重要的考量因素是頻寬的 使用率，利用資源預約機制來改進連線中 斷率及連線阻塞率的同時，必須有效地使 用頻寬資源，不能犧牲掉太多的頻寬，造 成資源的浪費，所以頻寬使用率亦必須維 持在一定的水準之上。
當無線行動通訊網路已朝向高速寬頻 發展之際，在無線行動通訊網路下發展視 訊會議、隨選視訊、遠距教學、檔案傳輸 等多媒體應用的服務，將會有更大的空間 和效用，同時擴展無線行動通訊網路與多 媒體資訊應用服務的範圍。無線行動通訊 網路在多媒體應用服務的環境下所形成的 交通流量特性，對服務品質的影響甚大，
而如何提供更好的服務品質是所要研究的 目標。研究無線行動通訊網路頻寬資源分 配設定的問題，針對某個移動中的行動主 機做頻寬資源的預約，提出更有效率的頻 寬資源預約機制且保證服務品質的演算 法，藉以改善行動主機的連線阻塞率、連 線中斷率及提高頻寬的使用率[1-9]。
三、結果與討論
動態群組式資源預約機制根據群組成
員實際到達的時間，動態調整目前群組的 預約資源，為了提高頻寬資源使用率，預 約的資源應儘量給予即將到達的群組，其 他的群組則依時間到達的先後順序動態的 給予不同的資源預約調整，原則如下：
A. 當目前的群組有成員實際的連線及離 開之後，或者是有過期的預約時，利用 所釋放的預約資源，適當的給目前群組 中之前預約失敗的成員，使得之前預約 失敗的成員可重新獲得資源預約，降低 Connection Dropping Probability。
B. 演算法則描述如下：
1. New connection
1.1 基地台檢查未使用的頻寬是否滿足 需求的頻寬？假如不可以滿足，則 拒 絕 這 個 連 線 要 求 。 假 如 可 以 滿 足，檢查是否會影響到目前群組中 下一個即將到達的成員（比較 new connection 與群組中下一個即將到 達 的 成 員 的 進 入 、 估 計 離 開 的 時 間、頻寬及交接機率），假如不會 影響，則配置頻寬給 new connection 的行動主機，否則拒絕這個連線要 求。
1.2 基 地 台 送 出 Grouping reservation information 給周圍蜂巢的基地台，
做資源預約的動作，並將預約結果 通知目前蜂巢的基地台，基地台再 通知行動主機，使 mobile user 有資 訊來選擇路徑（周圍蜂巢的基地台 檢查頻寬或機率是否滿足，滿足的 話 加 入 適 當 的 群 組 中 ， 並 預 約 資 源，不能滿足的話，亦可加入適當 的群組中，但不能預約資源）。
2. Handoff connection
2-1 除了新的蜂巢之外，釋放之前舊蜂 巢 在 周 圍 蜂 巢 的 Grouping reservation，舊蜂巢的基地台利用所 釋放的資源，適當的給目前群組中 之前預約失敗的成員。
2-2 新蜂巢的基地台，判斷此行動主機在 群組中是否有獲得預約？假如有獲得
2-3 假如可以滿足，則配置頻寬給 handoff connection 的行動主機。將之前預約 的部份適當的再預約給目前群組中之 前有預約失敗的成員。
2-4 假如沒有獲得預約，則基地台檢查未 使用的頻寬是否滿足需求的頻寬？假 如不可以滿足，則中斷這個連線要 求。假如可以滿足，則配置頻寬給 handoff connection 的行動主機。
2-5 新蜂巢的基地台重新計算未使用的頻 寬 並 送 出 grouping reservation information 給周圍蜂巢的基地台，做 資源預約的動作，並將預約結果通知 目前蜂巢的基地台，基地台再通知行 動主機，使 mobile user 有資訊來選擇 路徑。
四、計畫成果自評
計畫提出的策略，利用 C++設計模擬 程 式 驗 證 模 擬 的 結 果 ， 並 與 Semi-reservation scheme [1]方法比較，模擬 環境的假設描述如下：
1. 行動主機從蜂巢 i 移動到蜂巢 j 的機率
, , x i j
P 在初始狀態時產生。
2. 行動主機的位置在初始狀態時隨機的 產生並分散在每個蜂巢。
3. 在模擬的架構中共有 100 個蜂巢，每個 蜂巢周圍都有六個相鄰的蜂巢，每個蜂 巢 包 含 一 個 基 地 台 ， 提 供 的 頻 寬 為 50Mbps。
4. 基地台之間的距離為 1 公里。
5. 行 動 主 機 的 移 動 性 在 初 始 狀 態 時 產 生，以 uniformly 分布的方式隨機產生 移 動 速 度 ， 0~5km/h 定 義 為 第 一 類 (Class I)：行動主機幾乎不移動會一直 待 在 同 一 個 蜂 巢 （ Hardly Moving Mode）；6~40km/h 定義為第二類(Class
（Rapidly Moving Mode）。
6. 每個蜂巢中新建立連線的行動主機到 達 率 （ Connection arrival rate ）是以 geometric 分布的方式，依μ的速率隨 機產生。
7. 行 動 主 機 需 求 的 頻 寬 （ Bandwidth Requirement），若為 VBR 及 UBR 的 型 態 時 ， 在 最 大 與 最 小 值 之 間 以 geometric 分布的方式產生。
8. 行動主機通訊的持續時間（Connection Duration），在最大 與 最小值之間以 geometric 分布的方式產生。
9. 在模擬的架構中，每個行動主機最多可 同時存在三個資料流。
由圖二、圖三可明顯的看出連線阻塞 率、連線中斷率的模擬比較結果，動態群 組式資源預約機制皆優於 Semi-Reservation Scheme 的方法，例如：在新建立連線的行 動主機到達率等於 0.5 時，計畫提出的策略 在 連 線 阻 塞 率 方 面 比 Semi-Reservation Scheme 的方法低 8%，在連線中斷率方面 低 10%，這是因為動態群組式資源預約機 制動態的調整預約資源，提供更彈性、更 準確的資源預約，將資源預約對新建立連 線的行動主機的影響降到最低，提供新建 立連線的行動主機更容易建立連線，以改 善連線阻塞率。在連線中斷率的比較方 面，隨著新建立連線的行動主機到達率的 增加，連線中斷率效果更顯著，這是因為 動態群組式資源預約機制提供有效率的預 約策略，對於交接連線機率很高的使用 者，給予更多預約成功的機會，降低連線 中斷率。預約的頻寬資源以分組的方式動 態調整，減少無效的預約頻寬，增加頻寬 的使用率，圖四是頻寬使用率的比較，當 新建立連線的行動主機到達率增加時，可 明 顯 的 看 出 本 計 畫 提 出 的 策 略 高 於 Semi-Reservation Scheme 的方法。
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.01 0.025 0.05 0.075 0.1 0.25 0.5 0.75 1
Connection arrival rate (requests/sec)
Connection Blocking Rate Semi
Group
圖二：連線阻塞率比較圖
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0.01 0.025 0.05 0.075 0.1 0.25 0.5 0.75 1
Connection arrival rate (requests/sec)
Connection Dropping Rate Semi
Group
圖三：連線中斷率比較圖
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.01 0.025 0.05 0.075 0.1 0.25 0.5 0.75 1
Connection arrival rate (requests/sec)
Bandwidth Utilization (%)
Semi Group
圖四：頻寬使用率比較圖 五、參考文獻
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