WiMAX 4G網路效能評估與改善之研究

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中報告

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計畫類別：個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 96-2221-E-011-019-MY3 執行期限：96 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日

計畫主持人：陳金蓮 教授

計畫參與人員：林木盛 國立台灣科技大學 電子工程研究所 楊豐銘 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 侯玉祥 國立台灣科技大學 電子工程研究所 林依潔 國立台灣科技大學 電子工程研究所 吳志偉 國立台灣科技大學 電子工程研究所 邱國智 國立台灣科技大學 電子工程研究所 林彥成 國立台灣科技大學 電子工程研究所

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 97 年 5 月 31 日

WiMAX 4G 網路效能評估與改善之研究

Performance analysis and enhancement in WiMAX 4G Networks

行政院國家科學委員會專題研究計畫期中報告

WiMAX 4G 網路效能評估與改善之研究

計畫編號：NSC 96-2221-E-011-019-MY3 執行期限：96 年 8 月 1 日至 99 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：林木盛 國立台灣科技大學 電子工程研究所 楊豐銘 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 侯玉祥 國立台灣科技大學 電子工程研究所 林依潔 國立台灣科技大學 電子工程研究所 吳志偉 國立台灣科技大學 電子工程研究所 邱國智 國立台灣科技大學 電子工程研究所 林彥成 國立台灣科技大學 電子工程研究所

一、中文摘要

IEEE 802.16 TGm 在 2006 年 10 月正式 成立後，立即著手制定 IEEE 802.16m 的技 術 需 求 文 件 ， 因 此 新 一 代 的 WiMAX(WiMAX 4G)網路極有機會取代無 線區域網路(wireless LAN)及蜂巢式行動通 訊網路(cellular network)，成為第四代無線 通訊之主要技術。本計畫首先提出一個跨 層級子載波分配機制，此方法是基地台依 據行動台的通道品質分配子載波給行動台 且滿足所需要的服務品質。

無線轉傳(wireless relay)已被證實可以 有效提高網路產出率及擴大服務範圍。然 而無線轉傳節點之數量及佈建位置之選 擇，以及配合無線轉傳節點選擇後之無線 轉傳路徑路由問題，將會嚴重左右無線轉 傳技術對網路效能之影響；本計畫提出具 資源重複利用排程與負載均衡機制，藉以

達成系統資源管理目標。

在 802.16j 多點轉跳(multihop relay)模 式，使用多點高速轉跳路徑可以得到較好 的傳輸量及延遲。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: 無線接取網路、排程機制、服務品 質、集中式遞交、非集中式遞交、中繼站 轉傳

Abstract

Since Oct. 2006, IEEE 802.16 group is working on the preparation for IEEE

802.16m standard as a proposals for ITU-R IMT-Advanced radio interface standards, thus WIMAX is expected to be the principle solution for wireless metropolitan area network and 4G network. In this project, first, we propose a cross-layer subcarrier allocation scheme. The proposed scheme is the BS allocates appropriate subcarrier to MSs according to channel quality and achieves desired quality of service.

The benefits for wireless relay, such as radio range extension and network throughput enhancement, were addressed in researches for wireless broadband access networks. In this project we will study the problems for relay node selection and location decision, also the problem for wireless relay link routing, we will propose Resource Reuse scheduling and load balance scheme for wireless relay link to support the radio resource management.

In IEEE 802.16-based multi-hop networks, transmissions using a multi-hop high-rate relay path can potentially achieve better throughput and delay. 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: wireless access network, scheduling, quality of service, centralized handover, decentralized handover, relay mode

二、緣由與目的

隨著無線網路設備的普及，近年來建 置城市無線網路成為全球許多大城市的都

市發展指標之ㄧ，以行動設備進行網路存 取是網路使用的趨勢。未來網路系統必將 具備支援不同訊務(traffics)的能力且滿足 不同訊務分別的服務品質需求，新一代 WiMAX(WiMAX 4G)是達成此一目標的重 要技術之一。

本年度的第一個研究提出跨層級比例 公平子載波分配機制。在 IEEE 802.16e OFDMA 系統中[1][2]，允許動態的分配子 載波給不同的使用者[3][4]，子載波組成子 通道時所使用的主要變換方式為分散式子 載 波 變 換 中 的 PUSC(Partial Usage of Subchannels)模式[11]，此法是利用虛隨機 的方式從整個傳輸頻譜離散的挑出子載波 以組成子通道[12]，優點在於簡單，易於實 作，但並不是最佳的子載波分配方式。在 本研究中，基地台透過實體層對行動台的 通訊品質進行監控，根據子載波對行動台 的通訊品質，指派最適當的子載波形成子 通道，分配給行動台，提高系統的訊務傳 輸量，增加行動台允入的數量。

在佈建了 IEEE 802.16j 中繼站的 環境中[5]，每個使用者根據訊號強度來選 擇中繼站，這樣的做法當同個群組的中繼 站流量不均衡時，會造成資源再利用率降 低[6]，使得系統可服務的連線數量降低，

新連線的阻塞機率提高。因此，當因流量 不均衡造成系統頻寛不足時，我們提出以 資源再利率與負載均衡機制做為中繼站路 徑選擇的準則[7][8]，以提升資源再利用 率，來增加可接受服務的連線數，降低連 線阻塞機率。

在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[9][10]。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，依基地台與行動台間通訊品 質為遞交啟動的時機再各別區分成連線建 立階段和遞交階段來深入探討。

三、結果與討論

首先針對 IEEE802.16 網路架構下，允 入控制問題，我們以跨層級比例公平子載 波分配方法來增加行動台允入的數量。第 二項研究提出資源再利率與負載均衡機制 做為中繼站路徑選擇的準則，以提升資源 再利用率。第三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，以提高網路 傳輸效能和減少傳送延遲。

3.1 WiMAX 4G 寬頻無線存取網路允 入控制之研究

3.1.1 系統架構與比例公平性

圖 1 為跨層級系統架構圖，上層應用 程式的封包進到 MAC 層會先經過分類 器，依據服務流的不同，將不同服務等級 的封包放入不同的佇列(Queue)中。

考量公平性時，因為即時性服務流受 最大延遲時間的限制，超過此時間封包將 會被丟棄，所以我們使用截止時間(Early Deadline First, EDF)法則。其次，通道狀 況好的使用者服務流可優先用較好的調變 技術傳送，通道狀況較差的較慢傳送，如 此可以增加系統整體的流通量，所以即時 性服務流之排程將同時考量通道狀況與截 止時間。而非即時性服務流並沒有最大延 遲時間的限制，所以對於非即時性服務流 之排程僅需考慮通道狀況。

即時性資料的佇列會提供服務流於佇 列中的延遲狀態給 EDF 計算器，以計算排 程器所需要的相關延遲資料，而通道狀況 是利用 IEEE 802.16e 規格書上所規範的通

道偵聽(Channel Sounding)技術取得，詳細 作法於下一小節為各位介紹，由 BS 作通道 估測後，回傳給 MAC 層的通道狀態(Chan nel State, CS)計算器計算，以提供通道相 關資料給排程器[4]。圖 2 為服務流排程流 程圖。

3.1.2 跨層級子載波分配方法

在子載波分配方面，首先假設下傳的 OFDMA 系統中有 N 個使用者與 K 個載 波，一個使用者可分配多個子載波，被分 配的子載波數需為子通道載波數的倍數，

每個載波只能被分配給一個使用者，在每 個訊框時間內，K 個載波將全被分配完。

我 們 定 義 全 部 載 波 所 形 成 的 集 合 為

^{1, 2,...,} 

A K ，若以_n( )t 表示在時間 t 分 配給使用者 n 的載波集合，Ncarrier為一個子 通道中的載波個數，則：

1

( )

N n n

t A



 

 ，

( ) ( ) ,

n t m t m n

     ，

n^{( ) mod} carrier ^0,

n  t N  n，

子載波集合_n( )t 分配給使用者 n 的演 算法步驟說明如下：

1. 初始化：_n( )t  ,n 1, 2,...,N 2. 針對子載波 k, k =1,2,..,K：

i. 選擇使用者：

* arg max ( ) , 1,2,..., ( )

m m

m

m IR t m N

R t

 

   

 

其中IR t 為使用者 m 在時間 t 瞬間可達_m( ) 到的資料率，R t 為使用者 m 一直接收_m( ) 到時間 t 的平均移動 (moving average)資料 率，由以下的式子計算：

1 1

( ) 1 ( 1) ( 1)

R t   R t  IR t

其中 L 為平均移動的係數，控制系統的延 遲時間，若 L 值為大，則平均移動資料率 變化較慢，延遲時間增加，一般設在 10 和 20 之間。

ii. 將子載波 k 分配給使用者 m*：



*( ) *( )

m t m t k

  

當選擇子通道載波數倍數的子載波給 使用者後，我們使用注水法(water-pouring) 作為本研究中的功率控制，決定使用者的 每個子載波是否要被傳送。注水法，意即 傳送端賦予每個子載波的功率若無法使接 收端正確接收，則該個子載波就不傳送資 料，以降低子載波間的干擾。故我們希望 在基地台傳輸功率的限制下，系統整體流 通量達到最大，可以用下式表示：

, , , , ,

1 1

max n k n k

N K

c r n k n k

n k

R c r

 

 ^，

其中受限於 _{, ,}

1 1

N K

T n k n k Max

n k

P P r P

 

  ^，

R 為系統整體的流通量，Cn,k為使用者 n 的 第 k 個子載波所傳送的可用資料位元數，

,  0,1

rn k ，使用注水法決定是否傳遞，若 是為 1，P_T為總傳輸功率，P_n,k為使用者 n 的第 k 個子載波所傳送的功率，PMax為基 地台的最大傳輸功率。

圖 3 為子載波分配流程圖，當為每個 使用者配置完子載波，並且完成功率控 制，就會判斷是否滿足功率限制，若否，

則重新配置子載波。最後再將引導載波置 入形成子通道即完成。

3.1.3 模擬結果

如圖 4 所示，觀察模擬結果可使知，

使用跨層成比例公平子載波分配方法比 IEEE 802.16e 所規範的 PUSC 模式提高了 78%的系統流通量，原因就在使用本論文 所提出之子載波分配方法能夠在有限的系 統資源下，將資源分配給最需要的使用 者，可有效提升系統流通量，因此能夠比 IEEE 802.16e 規範的方法在相同的時間 內，多出 33%的使用者數量。

圖 5 為 nrtPS 的封包平均延遲時間，當用戶 數目上升至 IEEE 802.16e 所使用的 Priority FCFS 所能服務的上限時，產生大量的封包 平均延遲時間，主要的原因就是系統已無 法服務多出的即時性服務資料流，而所提 出之跨層成比例公平子載波分配方法平均 延遲較低的原因就是能為大家選用資料率 較高的調變技術傳送。

如圖 6 為 BE 的封包平均延遲時間，圖中顯 示跨層成比例公平子載波分配方法在用戶 數大於 40 後，封包平均延遲時間才明顯上 昇。而 IEEE 802.16e 所使用的 Priority FCFS 在用戶數大於 30 後，封包平均延遲時間就 明顯的變大。延遲時間增加的主要原因為 在服務完即時性資料流之後，系統的剩餘 訊框已無足夠的空間讓基地台來傳送盡全 力服務的封包。

3.2支援無線轉傳之WiMAX 4G無 線接取網路拓樸佈建之研究

3.2.1 系統架構

圖 7 為資源再利用率與負載均衡系統 架構圖，其中我們在基地台的部份新增了 五個方塊。以下將描述其功能:

CARR：當系統因流量不均衡所造成 的連線阻斷，提供流量均衡，來降低連線 阻斷機率。

CAC：當使用者發起連線請求時，根 據系統剩餘頻寛來決定是否要允入使用 者。

ORR：系統資源不足時，藉由調整中 繼站服務的使用者，達到資源再利用的最 佳化。

TA(Timing Advance) ：藉由測量上鏈 行動台發送信號到服務站的時間，來計算 行動台到服務台的距離。

TA Counter：當行動台的通道品質低 於門檻值 TA Counter 將會開始計數，若是 TA 回報服務站到行動台距離比上次回報 來的遠，TA Counter 就遞增 1，比上次回報 來的近，則遞減 1。

3.2.2 允入控制

當系統資源不足時，在允入使用者時，

依照 CARR 法則決定需要調整的使用者，

作為允入控制的中繼站選擇判斷條件，稱 為具通道感知資源再利用之允入控制 (Channel-Aware Resource Reuse –Call Admission Control, CARR-CAC)法則。

3.2.3 最佳化頻寬使用率

當系統剩餘資源可能不足以允入下個 訊框的連線請求時，基地台會藉由調整行 動台的服務站，透過調整使用者的服務 站，藉由提升資源再利用率，來取得頻寛 允入新進的使用者，為了使系統獲得最佳 化的資源再利用率來提升系統的流通量，

因此提出了資源再利用擇徑法之允入控制 (Channel-Aware Resource Reuse –Optimal Resource Reuse, CARR-ORR)法則。

3.2.3 模擬結果

圖 8 所示，三個機制在人數低於 50 之前，系統的流通量是差不多的，這是因 為在系統還沒飽和前，系統的流通量為使 用者所提出的要求，所以三者之間不會有 很大的差異，人數超過 50 人時系統開始處 於飽和狀態，我們可以從圖 9 的連線阻斷 機率看出來，IEEE 802.16j 的方法在人數 50 人時，流通量就飽和，而 ORR 與 RR 法則 是到 60 人以後開始停止上升。在 70 人時，

RR 法則在流通量方面可以提升 7.08%，ORR 法則可以提升 4.8%。

在連線阻斷機率方面，RR 法則可以降低 45.72%的連線阻斷機率，ORR 法則可以降低 2.16%的連線阻斷機率。

3.3 WiMAX 4G寬頻無線換手機制 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。

3.3.1 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。

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)，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。

當行動台建立連線後，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。

3.3.2 非集中式遞交機制

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。

當行動台建立連線後，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。非集中 式遞交機制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。

如圖 11-14 所示。

3.3.3 模擬結果

如圖 15-17 所示，在不同的移動速度 下，所提出的機制有較好的傳輸率，這是 因為有中繼站的轉傳，且集中式遞交由基 地台統一決定傳輸路徑，因此可得到最好 的傳輸結果；在延遲方面，當行動台數量 逐漸增加，所提出的機制明顯有較低的延

遲，這對於即時訊務有極大的幫助；

所提出的機制有許多額外增加管理信 令，這是代價是必需的。

四、計畫成果自評

本計劃的第一項研究，主要是基地台 利用跨層級的通道品質監控，得知基地台 與行動台間之通道品質，以此重要資訊為 基礎，使 MAC 層可以作最佳的排程，在比 例公平子載波分配機制的架構下，系統流 通量能夠大幅的提升 78%，同時使用者數 量也增加 33%，在 nrtPS 及 BE 訊務方面，

延遲也減少 53%及 78%。

本計劃的第二項研究，主要針對無線 轉傳節點之選擇與建構及無線轉傳路徑、

路由問題提出資源再利用與負載均衡機 制，作為中繼站選擇的依據；當系統連線 人數較少時，基地台的頻寬充足，所以係 統並無明顯的效能改善；在系統連線人數 眾多時，所提出的機制無論是在傳輸量及 連線的阻斷率都有明顯的改善。

本計劃的第三項研究 課題為 遞交過 程，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。

在本年度研究中，對 WIMAX 4G 的允 入控制、網路拓樸佈建及換手機制等已得 到初步的成果，未來將將以此為基礎，進 一步的擴充運用於其他具相關特性之廣泛 議題。

圖 1. 跨層級系統架構圖

Start

Put real-time packet with urgent and good

channel

Put real-time packet with urgent and poor

channel Frame isfull ?

Frame isfull ?

Put real-time packet with non-urgent and good channel

Put non-real-time packet with good

channel

Put non-real-time packet with poor

channel Put real-time packet

with non-urgent and poor channel Y

Y N

N

A Frame isfull ?

Y

N

Frame isfull ? Y

N

Frame isfull ?

Y N

圖 2. 服務流排程流程圖

Allocate subcarrier for every user

Determine pilot location

Satisfythe power constraint ?

End A

Y N

Decide whether each subcarrier be transmitted

Form subchannel

圖 3. 子載波分配流程圖

圖 4 在不同用戶數目下系統之平均流通量

圖 5. nrtPS 的封包平均延遲時間

圖 6. BE 的封包平均延遲時間

圖 7 資源再利率與負載均衡系統架構圖

Throughput

0 1 2 3 4 5 6

10 20 30 40 50 60 70 80

Number of User

Throughput(Mbps)

802.16j 802.16j-rr 802.16j-orr

圖 8 不同使用者數量下之系統流通量

Blocking Probability

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

10 20 30 40 50 60 70 80

Number of User

BlockingProbability(%)

802.16j 802.16j-rr 802.16j-orr

圖 9 不同使用者數量下之連線阻斷機率

圖 10 直接連線、轉傳連線及同時連線

圖 圖 11 直接連線遞交至同時連線

圖 12 同時連線遞交至直接連線

圖 13 轉傳連線遞交至同時連線

圖 14 同時連線遞交至轉傳連線

圖 15 單一行動台不同速度下輸出

0 2 4 6 8 10 12

14 16 18 20 22 24 26

Number of MSs

Averagedelay(second)

No-MMR Intra-BS-HO-centralized Intra-BS-HO-decentralized

圖 16 封包平均延遲時間

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

14 16 18 20 22 24 26

Number of MSs

Numerofmanagementmessages(persecond)

No-MMR Intra-BS-HO-centralized Intra-BS-HO-decentralized

圖 17 管理訊息數量

五、參考文獻

[1] IEEE Std. 802.16, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16：Air interface for fixed broadband wireless access systems. Oct. 2004.

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[7] Izumikawa H., Saito K., Fuke N., Ueda T., Sugiyama K., “MAP MULTIPLEXING IN IEEE 802.16 MOBILE MULTI-HOP RELAY, ” In proc of IEEE 17th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), Sept. 2006, pp.

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