無線網狀存取網路支援品質服務保證之研究(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

無線網狀存取網路支援品質服務保證之研究(1/2)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2213-E-011-018-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 6 月 7 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫期中報告

無線網狀存取網路支援服務品質保證之研究

計畫編號：NSC 94-2213-E-011-018 執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 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 陳家湖 國立台灣科技大學 電子工程研究所 陳銘揚 國立台灣科技大學 電子工程研究所 詹益昇 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。

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

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. In this report, a pre-defined gateway set algorithm is 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.

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

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。

本年度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 出一套 預先 定 義 閘道器(pre-defined gateway set, PDGS)演算法解決此問題，PDGS 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。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。

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].

( )

2

4p

= l (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

l 則為波長。且 ) log(

10 Noise

SNR= P^r (2)

以上述2 式考慮距離d與SNR關係可得：

10 ^SNR20

d µ ^- (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。P_t、G_t、

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。

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至最 大，並逐步減少閘道器的使用個數直至無法 得到解為止。

第二階段─搜尋最佳拓樸

基於第一階段得出之閘道器總數，第二階 段以基因演算法來搜尋最佳拓樸，圖 2 所示

為第二階段流程圖，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。本研究設定一長與寬為2000 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6，我們 經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_e 參數後，決定以表2 所列之設定值進行模擬，

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。合適度的計算係以個體成本之倒 數，即：

t

fitness=1cos (4) 而個體之成本為：

åå

= ⁿ

i n j Aij

t

1 1

cos (5) 其中A 指 i 節點與 j 節點間是否已建立鏈_ij 結，即

^A

⁼ {

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 3 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 4 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5 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 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

( )

a i n P P

P( , )= ^- (1- ) ^{- -} 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，

(7) 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，

(8) 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 (9) 以C 對 K 來微分並且設為 0，

dC/dK = 0 (10)

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：

(11)

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在碰撞戶用數量由20 變動到 80 之間，Pa 值為 0.004，0.005 及 0.006，所得到的頻寬要求流通量與與數值最

( )

r i n P P

P(, )= (1- ) ^-

- r X

M P P

K =

îí

=ì ^{< +}

+

³

- 2 a

X 1 M , 0

2 X 1 M , 1 ) (

2 ,

r P X

n M

n

P X n M - n P X n M

n P P

K ^a

a a

ïî ¹ ïí

=ì ^{- - < +}

+ - ³ ú -

û ê ù

ë

é -

- -

a 2

1 ) ( 1 , 0

2 1 ) ( 1 , ) 1 ( 21

,

佳解之差異在2%之內。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，本研究提出一個跨層的排程機制，

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 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。

3.4 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 10 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11 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 12 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 13 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。

四、計畫成果自評

本計畫的第一項研究，提出 PDGS 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。PDGS 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。

表1 802.16 之調變方式比較表

Modulation Coding rate

Peak data rate in 5MHz(Mb/s)

Receiver

SNR Range index BPSK 1/2 1.89 6.4 dB 478.6 1/2 3.95 9.4 dB 338.8 QPSK

3/4 6.00 11.2 dB 275.4 1/2 8.06 16.4 dB 151.3 16-QAM

3/4 12.18 18.2 dB 123.0 2/3 16.30 22.7 dB 73.2 64-QAM

3/4 18.36 24.4 dB 60.3

表2 PDGS 中基因演算法所使用的策略

交配策略 均勻交配, 交配率P_c=0.8 突變策略 基因交換, 突變率P_m=0.001 汰新政策

連續二十個世代之世代最大合適度皆相 同時，在此世代暫時大幅調高突變率。

在汰新政策執行後的下次世代，突變率 將恢復正常。汰新突變率P_im=0.2 菁英比率 Pe=0.02

流量 (Mbps)

Light Load: 0-3; Medium Load: 2-5 Heavy Load: 4-7; Extra Heavy Load: 6-9

終止條件 連續五十個世代最大合適度不變

開始

設定測試之閘道器 數量 g := n - 1

流量安排

此閘道器數量 是否有解？

g := g + 1 no

g := g - 1

結束

yes

圖1 第一階段搜尋流程圖

合適度計算

菁英政策

複製 均勻交配

最大合適值是否已 連續50世代相同?

結束 突變 汰新政策 開始

yes no 流量安排

圖2 第二階段搜尋流程圖

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

100 300 500

population

cost

Light load Medium load Heavy load Extra heavy load

圖3 族群大小與解之品質比較圖

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Light Medium Heavy Extra heavy

load cost

SPA MCA

圖4 SPA 與 MCA 之成本比較圖

SPA SPA SPA SPA

MCA MCA MCA MCA

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

load generation

第一階段 搜尋 第二階段 搜尋

Light Medium Heavy Extra

Heavy

圖5 SPA 與 MCA 之世代數比較圖

圖6 TDM Frame structure

圖7 MAC header and subheader

圖8 Normalized throughput vs. number of initial backlogged nodes.

圖9 Performance evaluation function vs.

contention window size.

BS MS

FRS

MS MS

FRS FRS Type 1

Type 2

Type 3

Periodic ranging or transmit changing modulation request

Measurement or signal forward traffic

圖10 行動站與基地台之三種連線方式

BS FRS FRS

UL-MAP RNG-REQ RNG-RSP

MHP-REP SNR measurement

MHP-REQ

SNR measurement RNG-RSP (continue) Original

IEEE 802.16 operations

MS

Modified singaling Singaling defined in standard

Timing measurement Power measurement FRSs adjust

timing at the same time

RNG-RSP (success) RNG-REQ

圖11 初始測距程序

圖12 集中式遞交之訊框架構

圖13 非集中式遞交之訊框架構

0.00E+00 5.00E-01 1.00E+00 1.50E+00 2.00E+00 2.50E+00 3.00E+00 3.50E+00

1 2 3 4 5 6

accumulate data (Mbps)

transmission time (s)

PMP BPSK(1/2)

simple relay scheme QPSK(3/4) PMP QPSK(1/2)

simple relay scheme 16QAM(3/4)

圖14 各種模式下封包傳輸時間 五、參考文獻

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